WO2024251319A1 - Anordnung und verfahren zur herstellung einer 3d-struktur in einem 3d- drucker - Google Patents

Anordnung und verfahren zur herstellung einer 3d-struktur in einem 3d- drucker Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an arrangement for producing a 3D structure in a 3D printer, which has working means that can be moved over a construction field, wherein the working means are a means for applying a particulate building material to the construction field, a means for smoothing the applied particulate building material and a means for selectively solidifying the particulate building material.
  • the invention also relates to a method for producing a 3D structure in a 3D printer, wherein particulate building material is applied layer by layer to a building field of the 3D printer and selectively solidified.
  • the structure is computer-controlled from one or more liquid or solid materials according to specified dimensions and shapes.
  • Specifications for the components or workpieces to be printed (3D structures) can be provided, for example, by so-called computer-aided design systems (CAD) in the form of 3D printing data.
  • CAD computer-aided design systems
  • a particulate building material which is also known as a molding material.
  • the materials used for such 3D printing processes are building materials or molding materials such as plastics, synthetic resins, ceramics, unsolidified sediments such as minerals or sands and metals.
  • Partial or full-surface application of particulate building material also referred to as particle material or powdered building material, to a so-called building field in order to form a layer of unconsolidated particulate material, whereby the partial or full-surface application of particulate building material can also include smoothing the particulate building material.
  • a particulate building material is generally understood to be an accumulation of individual particles of a substance or a mixture of substances, with each particle having a three-dimensional extension. Since these particles can predominantly be understood as round, oval or elongated particles, it is possible to specify an average diameter for such a particle, which is usually in the range between 0.01 mm and 0.4 mm. Such a particulate building material can have fluid properties.
  • Various methods for generating a 3D structure or for applying particulate building material to a construction field to generate a 3D structure are known from the state of the art.
  • the method for applying fluids relates in particular to particulate material which is applied to an area to be coated, wherein the fluid is applied to the area to be coated in front of a blade, seen in the forward movement direction of the blade, and then the blade is moved over the applied fluid.
  • the object is to provide a device, a method and a use of the device with which the most even distribution of fluid material can be achieved on an area to be coated.
  • the solution is to have the blade perform an oscillation in the manner of a rotary motion.
  • the oscillating rotary motion of the blade fluidizes the fluid applied to the area to be coated. This not only allows particle material that has a strong tendency to agglomerate to be applied as evenly and smoothly as possible, but it is also possible to influence the compression of the fluid through the oscillation.
  • the fluid is applied to the area to be coated in excess.
  • the constant movement of the blade which oscillates in the manner of a rotary movement, homogenizes the excess fluid, viewed in the forward direction of the blade, in front of the blade in a roller formed from fluid or particle material by the forward movement of the blade. This allows any cavities between individual particle clumps to be filled and larger clumps of particle material are broken up by the roller movement.
  • the coater described in DE 10 2018 003 336 A1 is moved horizontally across the construction field.
  • the coater described here as an example is a so-called fluidizer, in which the particulate building material exits through an outlet and is discharged to the surface of the construction field in order to form a new layer of particulate building material with a specified layer thickness.
  • a means for smoothing the layer of particulate building material such as a blade, is usually also used.
  • the coater has a funnel-shaped storage container for storing the particulate building material and an opening or outlet for applying the particulate building material, which is arranged in the lower area of the coater. Furthermore, outlet means are arranged in the lower area of the funnel-shaped storage container, which prevent particulate building material from accidentally getting out of the coater onto the construction site.
  • Applying a new layer of the particulate building material to the construction field is achieved by releasing the particulate building material in the area of the outlet means.
  • the coater is moved over the build area and during this movement a new layer of the particulate build material is applied to the build area.
  • the particulate building material thus applied is smoothed or smoothed and solidified by a means for smoothing the layer of the applied particulate building material, such as a blade, whereby an accumulation of the excess particulate building material forms in front of this means.
  • the height and shape of this accumulation Collection is determined by the amount of excess particulate building material applied by the coater.
  • a means for smoothing the layer of applied particulate building material such as a blade
  • the blade and the accumulation of excess particulate building material forming in front of this blade create forces that act on the substrate.
  • This substrate consists, for example, of several layers of the particulate building material that has already been applied, which has already been selectively solidified in partial areas that are intended to form the 3D structure to be created. The size or amount and direction of these forces acting on the substrate varies locally.
  • the amount of these forces depends, for example, on the inclination of the blade, on the height of the accumulation of particulate building material, which can vary at different points in the accumulation, on the speed of movement of the blade across the construction site and on the grain size and distribution of the particulate building material.
  • forces of different strengths act on the substrate, in particular on the areas of the 3D structure that have already been selectively solidified.
  • Such forces generally have a horizontal component and a vertical component.
  • the horizontal component referred to as force F H , acts parallel to the surface of the building site in an area of the last applied layer of particulate building material.
  • the force F H is caused by the horizontal movement of the smoothing means, such as a blade.
  • the vertical component referred to as force F v , acts perpendicular to the surface of the building site or perpendicular to the last applied layer. layer of the particulate building material.
  • the force Fv is caused by the weight of the particulate building material, in particular the particulate building material in the accumulation.
  • the forces F H and F v are superimposed and a resulting force FR is created.
  • This resulting force F R is directed at an angle to the surface of the building site or the perpendicular, which is determined by the proportions of the forces F H and Fv and can be different at different points in the accumulation, in particular along the longitudinal extent of the accumulation. Likewise, the amount of the resulting force FR can be different at different points.
  • resulting forces FR acting on the substrate at an angle to the surface of the applied particulate building material lead to shifts in the layers of the applied particulate building material and in the partially selectively solidified areas of the 3D structure to be created. This leads to inaccuracies in the dimensions of the 3D structure to be created. If such dimensions exceed a certain tolerance, the 3D structure created can no longer be used in some cases.
  • a tolerance in the production of a 3D structure can, for example, be in the range of less than ⁇ 0.5 mm, in particular ⁇ 0.3 mm.
  • Another problem can be caused by excessive frictional forces between the particles of the particulate building material itself or between the particles of the particulate building material and a blade of a smoothing agent, as this can lead to inadmissible localized heating, which can, for example, affect the physical properties of the particulate building material.
  • DE 10 2019 007 480 A1 Another prior art is known from DE 10 2019 007 480 A1, which relates to an arrangement and a method for producing a layer of a particulate building material in a 3D printer.
  • the task to be solved is to provide a solution that increases the quantity of material applied with consistent quality and reduces the forces acting on the construction area when applying, smoothing and compacting the particulate building material.
  • the arrangement comprises a first assembly with a means for applying the particulate building material to a building field and a second assembly, which is arranged spatially spaced from the first assembly in the arrangement, is provided with a means for smoothing the applied particulate building material.
  • the solution to the problem according to the method consists in that in a first process step the particulate building material is applied to a construction field and that in a second process step which follows the first process step and is independent of it, the applied particulate building material is smoothed.
  • This separation of the assemblies for application and smoothing into two separate assemblies means that the particulate building material applied to a construction field experiences a dwell time, at least when the working equipment is moving at a correspondingly low speed over the construction field, before it is smoothed and compacted.
  • This dwell time can lead to an improvement in the distribution and alignment of the particles of the particulate building material in the currently applied layer.
  • the fixed distance between the assemblies due to the design limits the maximum possible speed when moving the assemblies over the construction field, at least in the event that a minimum necessary dwell time is to be observed in order to reduce the resulting forces FR ZU that occur.
  • no adjustment can be made, for example, to different particulate materials, since these sometimes require different dwell times on the surface of the construction field between the application and smoothing process steps in order to comply with specified tolerances when producing the 3D structure in the 3D printer.
  • neither an interaction of the described assemblies with a printing unit nor an adjustment of a distance of the described assemblies from the printing unit for the purpose of reducing the resulting forces acting on the substrate is intended.
  • the object of the invention is to provide an arrangement and a method for producing a 3D structure in a 3D printer, whereby the forces acting on already applied layers of the particulate building material as well as partially already solidified areas of the particulate building material are reduced when applying a further layer of the particulate building material.
  • Arrangements for producing a 3D structure in a 3D printer usually have working means that can be moved over a construction field.
  • working means of the 3D printer are known as a means for applying a particulate building material to the construction field, such as a coater, and as a means for smoothing the applied particulate building material, also referred to as a blade.
  • a print head is arranged in a 3D printer, for example, as a means for selectively solidifying the particulate building material.
  • each working means has a separately controllable or adjustable drive, with which the working means is moved over the construction site in a first direction of movement or in a second direction of movement independently of other working means and at a speed that is at least temporarily constant or at least temporarily changing.
  • each work tool is equipped with a separate drive that moves the respective work tool independently of other work tools.
  • These drives are controllable or adjustable drives that are controlled, for example, by control signals from a central control system of the 3D printer.
  • each work tool can be moved separately in a first direction of movement or in a second direction of movement opposite to the first direction of movement horizontally over the surface of the construction site and at different speeds or accelerations.
  • the first direction of movement for example, represents a movement of the work equipment horizontally across the construction area from right to left
  • the second direction of movement describes a movement of the work equipment horizontally across the construction area from left to right, i.e. opposite to the first direction of movement, or vice versa.
  • the separate drives of the work equipment enable the work equipment to be moved across the construction site at a set distance from each other. It is also possible to set the distance between two work equipment, such as for example, a printing unit for applying a binding agent and a coater following the printing unit for applying the particulate building material, at least within a specified period of time or temporarily to allow it to become increasingly larger.
  • the printing unit is moved at a speed v1 and the dispenser at a speed v2 over the building field, with the speed v1 being greater than the speed v2.
  • the dwell time i.e. the time span between the start of the selective solidification of the particulate material by the binding agent applied to the particulate building material by the printing unit and a further particulate building material application to this solidifying area in a subsequent layer.
  • the selectively solidified areas harden, with these selectively solidified areas becoming increasingly mechanically stable over time.
  • the residence time is in a range between 0.05 s and 5.0 s. This means that the time span between the start of the selective solidification of the particulate building material by the binding agent applied to the particulate building material by the printing unit and a further application of the particulate building material to this solidifying area by the subsequent coater in a subsequent layer can be up to 5.0 s.
  • the lower the speed of a coater following the printing unit during movement over the build area the longer the residence time and thus the strength of the selectively solidified areas before the negative influence of the forces acting on the solidified areas (F H , F v and F R .), caused by the subsequent process of applying and smoothing the next layer of the particulate build material, can take effect.
  • the lower the speed of the coater and/or the means for smoothing and compacting the applied particulate building material the lower the forces that lead to displacements in the layers of the applied particulate building material and in the partially selectively solidified areas of the 3D structure to be created.
  • the layers or particles of the particulate building material are subjected to less stress or acceleration, the forces acting on the construction area when applying, smoothing and compacting the particulate building material are reduced. This reduces inaccuracies in the dimensions of the 3D structure to be created and improves the quality of the 3D structure to be created.
  • the invention provides that by arranging one drive each in the working means of the 3D printer, the speed of the working means when moving the working means over the construction area is controlled or regulated separately, i.e. independently of one another.
  • This design with its own drives also makes it possible for the assemblies to be moved or moved in relation to one another.
  • this relation means that a working means is moved relative to a second working means, whereby a speed of a second working means following a first working means is, for example, 1/4 or 1/3 or 1/2 of the speed of the first working means.
  • This relation also means a movement of the first and second working means, whereby the speeds of the working means tools are the same, regardless of whether both tools move across the construction site at 400 mm/s or 800 mm/s.
  • a first means for applying a particulate building material a first means for smoothing and compacting the particulate building material applied to the building field by the first means, a means for selectively solidifying the particulate building material and a second means for applying the particulate building material and a second means for smoothing and compacting the particulate building material applied to the building field by the second means are each provided with their own separately controllable or adjustable drive.
  • the application of a binding agent by a printing unit and the subsequent application of another layer of the particulate building material by means of the coater as well as the smoothing of the particulate building material applied by the coater by means of a blade is provided in the first direction of movement or in the second direction of movement.
  • the separately movable working equipment of the 3D printer is arranged, for example, in the sequence of printing unit, coater and blade. This arrangement variant enables the steps of applying a binding agent, applying another layer of the particulate building material and smoothing the applied particulate building material to take place when the working equipment moves over the construction field of the 3D printer, for example in the first direction of movement.
  • the working equipment must then be moved back, for example in the second direction of movement, in order to repeat the steps of applying, applying and smoothing in a subsequent layer and thus build up the 3D structure layer by layer.
  • the working equipment is moved back in this way, the production of the 3D structure cannot be continued.
  • the invention also provides for bidirectional operation of the 3D printer.
  • the steps of applying a binding agent, applying a further layer of the particulate building material and smoothing the applied particulate building material can be carried out in one pass in both the first direction of movement and the second direction of movement. It is no longer necessary to return the work equipment without continuing the process of producing the 3D structure.
  • a first means for applying a particulate building material, a first means for smoothing and compacting the particulate building material applied to the building field by the first means, and a means for selectively solidifying the particulate building material are arranged in the 3D printer above the building field.
  • a second means for applying the particulate building material and a second means for smoothing and compacting the particulate building material applied to the building field by the second means are arranged in the 3D printer above the building field.
  • the working means For the steps of applying, applying and smoothing in the first or second direction of movement, the working means are used: means for selectively solidifying the particulate building material, a first means for applying a particulate building material and a first means for smoothing and compacting the particulate building material applied to the construction field by the first means.
  • the working means For the subsequent steps of applying, applying and smoothing in the second or first direction of movement, the working means are used: means for selectively solidifying the particulate building material, a second means for applying the particulate building material and a second means for smoothing and compacting the particulate building material applied to the construction field by the second means.
  • the order of arrangement of the working equipment over the construction site is, for example, second means for smoothing and compacting, second means for applying the particulate building material, means for selectively solidifying the particulate building material, first means for applying a particulate building material and first means for smoothing and compacting or vice versa.
  • all work equipment has its own separately controllable or adjustable drive and can therefore be started independently of each other at different times and with different speeds. speeds and accelerations over the construction area in the first and second directions of movement.
  • the means for applying a particulate building material are coaters, the means for smoothing and compacting the applied particulate building material are blades and the means for selectively solidifying the particulate building material are a printing unit.
  • a particulate building material is applied by a coater whose quantity of the dispensed particulate building material is regulated or controlled.
  • a blade is used as a means for smoothing and compacting the applied particulate building material, which is arranged at an angle in the direction of an accumulation of particulate building material that forms in front of the blade in the direction of movement.
  • a pressure unit is used as a means for selectively solidifying the particulate building material, which has a plurality of nozzles, via which the binding agent is applied to the areas to be selectively solidified on the surface of the applied and smoothed or compacted particulate building material.
  • the separately controllable or adjustable drive in each work tool is an electric linear drive, an electromechanical linear drive, an electromagnetic drive, a ball or roller screw drive, a rack and pinion drive or a threaded spindle drive.
  • the work equipment according to the invention has its own, separately controllable or adjustable drive, which moves the respective work equipment independently of one or two adjacent work equipment over the construction field of the 3D printer.
  • all controllable or adjustable drives are suitable for this purpose, which make it possible to set the work equipment in a travel movement at a set time, whereby the drive moves the work equipment in a selectable direction, i.e. in the first direction of movement or in the second direction of movement, with a selectable acceleration and at a selectable speed over the construction field.
  • the drives mentioned are an electric linear drive, an electromechanical linear drive, an electromagnetic drive, a ball or roller screw drive, a rack and pinion drive or a threaded spindle drive.
  • particulate building material is applied layer by layer to a construction field of the 3D printer and selectively solidified.
  • separately movable working means are provided above the construction field, wherein the working means are at least one means for applying a particulate building material such as a coater, at least one means for smoothing the applied particulate building material such as a blade and a means for selectively solidifying the particulate building material such as a printing unit.
  • the working means are at least one means for applying a particulate building material such as a coater, at least one means for smoothing the applied particulate building material such as a blade and a means for selectively solidifying the particulate building material such as a printing unit.
  • two coaters, two blades and a printing unit are arranged above the construction field.
  • each work tool has its own drive and that the work tools can be controlled or regulated separately in such a way that they are moved independently of one another in a first direction of movement or in a second direction of movement over the construction site, wherein the work tools are moved at least temporarily at a constant, fixed distance from one another or at least temporarily at a changing distance from one another.
  • the coater is moved at a distance or a changing distance, in particular an increasing distance, in relation to the printing unit.
  • the time or period of time elapsing between the application of the binding agent by the printing unit and the subsequent application of the further layer of the particulate building material by the coater is also referred to in this description as the dwell time.
  • the subsequent coater is the first coater. If the printing unit is moved in the second direction of movement, the subsequent coater is the second coater. Furthermore, if the printing unit is moved in the first direction of movement, the subsequent working equipment is the first coater and the first blade. If the printing unit is moved in the second direction of movement, the subsequent working equipment is the second coater and the second blade.
  • the distance between the printing unit and the subsequent coater is designed to change and increase at least temporarily.
  • a sufficiently long dwell time is ensured in which at least partial hardening of the selectively solidified areas takes place.
  • These selectively solidified areas become increasingly stable over time and thus more resistant to the forces acting on these areas (FH, FV and FR.).
  • the distance between the printing unit and the subsequent coater has reached a size that ensures a sufficient dwell time, the distance then reached is maintained. This means that after reaching this distance, the printing unit and the subsequent coater will move at the same speed over the construction area with this achieved or specified distance from each other. It is further provided that the working means of the first coater and the first blade are moved in the first direction of movement or the working means of the second coater and the second blade are moved in the second direction of movement at a distance that is the same or increasing from the means for selectively solidifying the particulate material, i.e. the printing unit, i.e. at an equal or lower speed, over the construction field.
  • the working tools of the first coater and the first blade follow the printing unit at the same or a lower speed.
  • the working tools of the second coater and the second blade follow the printing unit at the same or a lower speed. This ensures the bidirectional operation of the 3D printer.
  • the movement of the working equipment first coater and first blade in the first direction of movement or the movement of the working equipment second coater and second blade in the second direction of movement begins with a time delay Delta t to the start of the movement of the printing unit.
  • the movement of the printing unit is started at a time t1 with a first speed v1, while the subsequent coater has a second speed v2 of zero, i.e. is not moved over the construction field.
  • the movement of the following working means, coater and blade starts at a time t2, which is then moved at a second speed v2 in the direction of the preceding printing unit. It is intended that the first speed v1 is selected to be equal to or greater than the second speed v2.
  • the movement of the first coater and the first blade in the first direction of movement is carried out together at time t2 is started and that these two subsequent working devices are each moved over the construction field at the second speed v2. It is also intended that the movement of the subsequent working devices, the second coater and the second blade, in the second direction of movement is started together at time t2 and that these two subsequent working devices are each moved over the construction field at the second speed v2.
  • the working means of the first coater and the first blade are moved in the first direction of movement or the working means of the second coater and the second blade are moved in the second direction of movement over the construction field for a first fixed period of time at a lower speed than the printing unit and subsequently for a second fixed period of time at a speed equal to the printing unit.
  • the following is intended to achieve a distance between the printing unit and the subsequent coater that ensures a required dwell time.
  • the working equipment printing unit, first coater and first blade are located together at a first end of the travel path formed above the construction field, for example on a right-hand side, and are subsequently moved above the construction field in the first direction of movement.
  • the movement of the working equipment in the first direction of movement is started at a time t1, wherein for a first fixed period of time the printing unit is moved at the first speed v1 and the first coater and the first blade are moved together at the second speed v2.
  • the first speed v1 is greater than the second speed v2.
  • the first speed v1 is 800 mm/s and the second speed v2400 mm/s.
  • a distance between the printing unit and a subsequent coater can be in a range between 100 mm and 2000 mm.
  • the printing unit can be moved at the first speed v1, the first coater at the second speed v2 and the first blade at a third speed v3 in the first direction of movement or in the second direction of movement.
  • the speeds can be controlled or regulated in such a way that v1 ⁇ v2 ⁇ v3 applies.
  • the invention provides that the distance between the printing unit and a coater following the printing unit corresponds to a length of the construction field, also referred to as the construction box.
  • the construction box a length of the construction field
  • the working means After expiry of this first fixed period of time, the working means are moved in the first direction of movement for a second fixed period of time such that the first speed v1 is equal to the second speed v2, whereby the distance between the printing unit and the first coater and the first blade no longer changes until the opposite second end of the travel path formed above the construction field is reached by the working means.
  • the above description of the movement of the working means in the first direction of movement is exemplary.
  • the embodiment according to the invention of the movement of the working means at different speeds at fixed periods of time is applicable both in the first direction of movement and in the second direction of movement.
  • the speed of the working means of the first coater and first blade in the first direction of movement or of the working means of the second coater and second blade in the second direction of movement in the event that the working means of the first coater and first blade or the working means of the second coater and second blade are moved at a changing distance from the printing unit, is in a range between 10% and 90%, in particular in a range between 30% and 80%, further in particular at 60% of the speed of the printing unit.
  • the working equipment, printing unit and coater with blade can be moved at a changing distance.
  • a changing distance is an increasing distance in order to achieve a dwell time in which at least improved curing of the selectively solidified areas can take place.
  • the first speed v1 of the printing unit is selected to be greater than the second speed v2 of the subsequent working equipment, coater and blade.
  • This speed difference is selected in such a way that the speed v2 of the subsequent working equipment, coater and blade, is in a range between 10% and 90% of the speed v1 of the printing unit, regardless of the direction of movement. It has proven advantageous for this speed difference to be in a range between 30% and 80%. In a special version, this speed difference is intended to be 60%.
  • the time delay Delta t between a start of the process of the subsequent working means first coater and first blade or second coater and second blade at a time t2 compared to a start of the process of the printing unit at a time t1 is in a range between 0.05 s and 3.0 s, in particular in a range between 0.2 s and 2.0 s, further in particular at a value of 1.0 s.
  • the subsequent work equipment, first coater and first blade or second coater and second blade are set in motion with a delay of Delta t relative to the printing unit, whereby this delay Delta t lies in a range between 0.05 s and 3.0 s. It has proven advantageous for this delay Delta t to lie in a range between 0.2 s and 2.0 s.
  • the delay Delta t has a value of 1.0 s. This means that the movement of the subsequent work equipment begins at time t2 1.0 s after the start of the movement of the printing unit at time t1.
  • a regulation of a quantity of the particulate building material discharged by the coater takes place as a function of the speed v2 of the coater over the construction field, wherein the regulation takes place by changing a gap width of the coater or by changing a speed of a roller of the coater, wherein the quantity of the particulate building material discharged increases with increasing speed v2 of the coater during the process over the construction field, wherein the gap width of the coater is controllable in a range between 1.0 mm and 4.0 mm, in particular in a range between 1.3 mm and 3.5 mm.
  • the particulate building material is applied to the construction field by the first coater in the first direction of movement or by the second coater in the second direction of movement during the movement of the respective coater at the speed v2.
  • Coaters are known from the prior art which have a funnel-shaped storage container for storing the particulate building material.
  • This funnel-shaped storage container is designed to extend lengthwise across the width of the building area, with its length being a multiple of its width.
  • the storage container has a gap-shaped opening or an outlet with a gap width, with an outlet means arranged at the gap-shaped opening.
  • the outlet means is controlled accordingly, whereby it is also provided to change the gap width in order to influence the amount of particulate building material dispensed by the coater.
  • the gap width of the coater is adjustable in a range between 1.0 mm and 4.0 mm, in particular in a range between 1.3 mm and 3.5 mm, and thus less or more particulate building material is dispensed by the coater and applied to the construction field.
  • the gap width is set to a value of 3.5 mm at a speed v2 of 800 mm/s and to a value of 1.8 mm at a speed v2 of 400 mm/s.
  • Fig. 1 an exemplary arrangement for producing a 3D structure in a 3D printer according to the prior art
  • Fig. 2 an exemplary distribution of forces acting on the subsoil when a smoothing agent is moved over a construction site
  • Fig. 3 a schematic diagram of the arrangement according to the invention for producing a 3D structure in a 3D printer in a first variant with its functionality in a first direction of movement
  • Fig. 4 a schematic representation of the arrangement according to the invention for producing a 3D structure in a 3D printer in the first variant with its functionality in a second direction of movement
  • Fig. 5 a schematic representation of the arrangement according to the invention for producing a 3D structure in a 3D printer in a second variant with its functionality only in the first direction of movement.
  • Figure 1 shows an exemplary arrangement 1 for producing a 3D structure in a 3D printer according to the prior art.
  • Such an arrangement 1 has, for example, three working means 3, 4, 5 that can be moved over a construction field 2.
  • These working means are a means 3 for selectively solidifying a particulate construction material 6 such as a printing unit 3, a means 4 for applying of the particulate building material 6 such as a coater 4 and a means 5 for smoothing and compacting the applied particulate building material 6 such as a blade 5.
  • the working means 3, 4, 5 can be replaced by other means having the same effect without affecting the essence of the present invention.
  • the printing unit 3 is shown with a few drops, which represent a targeted release of fine drops of a binding agent released by the printing unit 3.
  • the binding agent ejected via nozzles of the printing unit 3 is applied to a layer of the particulate building material 6 located under the printing unit 3 and serves to selectively solidify the defined areas of the particulate building material 6, which form the 3D structure to be created.
  • Figure 1 shows the coater 4 in a snapshot in which particulate building material 6 exits from a storage container 9 through an outlet 8 and reaches the surface of the construction field 2 as discharge 10 in order to form a new layer of particulate building material 6 with a fixed layer thickness 11.
  • a means 5 for smoothing the layer of particulate building material 6 applied by the coater 4 is usually used, such as a blade, which in addition to a smoothing function also takes on a compaction of the particulate building material 6.
  • the coater 4 shown as an example in Figure 1 has the funnel-shaped storage container 9 for storing the particulate building material 6.
  • This funnel-shaped storage container 9 is designed to extend lengthwise over a width of the building field 2, with its length being a multiple of its width.
  • the storage container 9 has a gap-shaped opening or the outlet 8. At the outlet 8 is an outlet means not shown in Figure 1 which prevents particulate building material 6 from accidentally reaching the construction site 2.
  • the particulate building material 6 is applied to the construction field 2 by controlling the outlet means in such a way that the particulate building material 6 is released in the area of the outlet 8, whereby the particulate building material 6 is discharged from the coater 4 via the gap-shaped opening or the outlet 8. This discharged particulate building material 6 forms the discharge 10, which reaches the surface of the construction field 2.
  • the coater 4 is moved over the construction field 2 in the first direction of movement 7 shown by an arrow and a new layer of the particulate building material 6 is applied to the construction field 2.
  • This particulate building material 2 applied to the construction area 2 is then smoothed or smoothed and solidified by the blade 5.
  • the blade 5 is also moved in the first direction of movement 7 shown by the arrow over the construction area 2 and thus follows the coater 4. Since the coater 4 and the blade 5 are arranged in a common higher-level unit according to the state of the art, with which the working equipment 4 and 5 are moved together over the construction area 2, the working equipment 4 and 5 move at the same speed and at a structurally predetermined distance from one another over the construction area 2.
  • the outlet means is controlled accordingly, as a result of which, for example, more particulate building material 6 can exit through the outlet 10 and the amount of particulate building material 6 applied to the construction field 2 increases.
  • the amount of particulate building material 6 applied to the construction field 2 can be controlled by changing a gap width of the gap-shaped opening at the outlet 8. Since, for safety reasons, more particulate building material 6 is applied to the surface of the construction field 2 than is required to form the layer of particulate building material 6 with the layer thickness 11, an accumulation 12 forms in front of the blade 5.
  • Figure 1 shows a representation of a side view of the accumulation 12 of the particulate building material 2 on the construction field 3 in front of the blade 5, wherein the accumulation 12 has a depth T 13, a width B and a height H 14.
  • the width B of the accumulation 12, not shown in Figure 1 extends, so to speak, into a depth of the representation in Figure 1.
  • Figure 2 shows an exemplary distribution of forces which act on the subsoil when the smoothing means 5, such as the blade 5, moves over the construction area 2.
  • the blade 5 is shown, which is moved horizontally over the surface of the construction area 2 in the first direction of movement 7 shown by the arrow.
  • the accumulation 12 forms in front of the blade 5 due to the excess particulate construction material 6 being applied.
  • the alignment of the blade 5 can deviate from a vertical line, as shown by way of example in Figure 2. Due to the movement of the blade 5 in the first direction of movement 7 and the weight of the discharged particulate building material 2 located in the accumulation 12, forces are generated.
  • Such forces generally have a horizontal component and a vertical component.
  • the horizontal component which is referred to as force F H , acts parallel to the surface of the building field 2, in particular in an area of the last applied layer of the particulate building material 6.
  • the force F H is caused by a horizontal movement of the blade 5 during smoothing.
  • the vertical component which is referred to as force F v , acts perpendicular to the surface of the construction field 2 or perpendicular to the last applied layer of the particulate building material 2.
  • the force F v is caused by a weight of the particulate building material 2, in particular of the particulate building material 6 located in the accumulation 12.
  • the forces F H and Fv are superimposed and a resulting force FR is created.
  • This resulting force F R is directed at an angle between 0° and 90° to the surface of the construction field 2 or a perpendicular not shown in Figure 2.
  • the direction of the force F R is determined by the proportions of the forces F H and F v and is different at different points in the accumulation 12, in particular along the width of the accumulation 12. Likewise, the amount of the resulting force FR can be different at different points.
  • excessively high forces can influence the density of sub-areas of one or more underlying layers.
  • it can also influence already solidified areas that form the 3D structure. Such an influence leads, for example, to deviations in the dimensional accuracy of the 3D structure to be created by compressing or shifting such an already solidified area.
  • the amount or volume or dimensions of the accumulation 12 are usually controlled or regulated.
  • practice shows that the success of such controls or regulations of the amount or volume or dimensions of the accumulation 12 only inadequately reduces the influences on the creation of the 3D structure. This is particularly due to the fact that the resulting force FR can act on areas in which the binding agent was selectively applied but which has not yet been able to harden.
  • Figure 3 shows a schematic diagram of the arrangement 1 according to the invention for producing the 3D structure in the 3D printer in a first variant with its functionality in the first direction of movement 7.
  • the printing unit 3 a first coater 4a and a first blade 5a are shown as the working equipment of the 3D printer.
  • the first coater 4a and the first blade 5a are located to the right of the printing unit 3 in the illustration in Figure 3.
  • a second coater 4b and a second blade 5b are shown as working tools of the 3D printer to the left of the printing unit 3.
  • the functions or modes of operation of the working tools 3, 4a, 4b, 5a, 5b are identical to the working tools 3, 4, 5 described above and are therefore no longer explained in detail.
  • the arrangement of two coaters 4a and 4b and two blades 5a and 5b enables both the production of the 3D structure in the first direction of movement 7, as explained below for Figure 3, and the production of the 3D structure in a second direction of movement 16, as explained later for Figure 4.
  • the production of the 3D structure in the first direction of movement 7 and in the second direction of movement 16 opposite to the first direction of movement 7 is also referred to as bidirectional operation when producing the 3D structure.
  • the binder can be used to selectively solidify and apply, smooth and solidify particulate building material 6.
  • the bidirectional operation improves the effectiveness and printing speed when producing the 3D structure in the 3D printer.
  • all working means 3, 4a, 4b, 5a, 5b each have their own drive 17.
  • These drives 17 enable the working means 4a, 4b, 5a, 5b to be moved independently of one another in the first direction of movement 7 or in the second direction of movement 16 and with different accelerations and speeds horizontally above the construction area 2.
  • the drives 17 are controlled accordingly by a central control of the 3D printer.
  • the selective solidification, application, smoothing and compaction takes place in the first direction of movement 7 from right to left.
  • the working means 3, 4a and 5a are actively involved, while the working means 4b and 5b remain passive and make no contribution to the creation of the 3D structure.
  • the working means 4b and 5b are moved, for example, at a speed v1 in the first direction of movement 7, at which the printing unit 3 is also moved in the first direction of movement 7.
  • the working means 4b and 5b can be moved at a speed greater than v1.
  • the printing unit 3 is moved in the first direction of movement 7 at the speed v1 and applies binding agent to the surface of a current layer 18 for selectively solidifying predetermined areas, wherein these selectively solidified areas are intended for forming the 3D structure to be produced.
  • the first coater 4a and the first blade 5a are also subsequently moved in the first direction of movement 7 of the printing unit 3.
  • the working means 4a and 5a are moved, for example, horizontally over the construction field 2 from right to left at a speed v2.
  • the coater 4a applies a further layer of the particulate building material 6 via its outlet 8 and the blade 5a smoothes and compacts this particulate building material 6 applied by the coater 4a, thereby creating a subsequent layer 19.
  • the invention provides that the working means 3 and 4a and 5a are moved at different speeds.
  • the speed v1 is selected to be at least temporarily greater than the speed v2, so that a distance 20 is created between the working means 3 and 4a and 5a.
  • the velocities v1 and v2 are shown in Figure 3 by means of further arrows, where the arrow illustrates the direction of the velocity and the length of the arrow illustrates a value for the velocity v1 and v2.
  • This residence time is a period of time between the beginning of the selective solidification of the particulate building material 6 by the binding agent applied to the particulate building material 6 by the printing unit 3 and a further application of the particulate building material 6 to this solidifying area in the subsequent layer 19. If this residence time, which is increased with the distance 20 corresponds, chosen accordingly large, the particulate building material 6 hardens better in the selectively solidified areas and becomes more resistant to the subsequently acting forces F H , Fv and FR.
  • the first speed v1 of the printing unit 3 is greater than the second speed v2 of the working means 4a and 5a for at least a fixed period of time until the predetermined distance 20 is reached. If this predetermined distance 20 is reached and thus a desired dwell time, the working means 4a and 5a are moved at a speed greater than v2, for example also at the first speed v1, until all active working means 3, 4a, 5a have reached the end of the construction field 2.
  • An alternative to achieving the predetermined distance 20 and thus the desired dwell time is to start the movement of the printing unit 3 over the construction area 2 in the first direction of movement 7 at the first speed v1 at a time t1, while the working means 4a and 5a are not yet moving or are standing still. In this way, the distance 20 between the printing unit 3 and the assemblies 4a and 5a increases.
  • the movement of the working means 4a and 5a in the first direction of movement 7 starts preferably at the first speed v1.
  • the working means 3, 4a and 5a are now each moved at the first speed v1, whereby the distance 20 between the printing unit 3 and the working means 4a and 5a remains the same. This process also ends when the end of the construction field 2 is reached.
  • Figure 4 shows a schematic diagram of the arrangement 1 according to the invention for producing the 3D structure in the 3D printer in the first variant with its functionality in the second direction of movement 16.
  • the printing unit 3 Above the construction area 2, the printing unit 3, the first coater 4a, the second coater 4b, the first blade 5a and the second blade 5b are shown as working tools of the 3D printer.
  • the arrangement of two coaters 4a and 4b as well as two blades 5a and 5b enables, as already explained, both the production of the 3D structure in the first direction of movement 7 and the production of the 3D structure in the second direction of movement 16, as explained here for Figure 4.
  • the production of the 3D structure is also provided in the example of Figure 4 in bidirectional operation, whereby with each pass of the working means 3, 4a, 4b, 5a, 5b, the material is selectively solidified by means of the binding agent and particulate building material 6 is applied, smoothed and solidified.
  • all working means 3, 4a, 4b, 5a, 5b each have their own drive 17, so that the working means 3, 4a, 4b, 5a, 5b can be moved independently of one another in the first direction of movement 7 or in the second direction of movement 16 and with different accelerations and speeds horizontally above the construction field 2.
  • the selective solidification, application, smoothing and compaction takes place in the second direction of movement 16 from left to right.
  • the working means 3, 4b and 5b are actively involved, while the working means 4a and 5a remain passive and make no contribution to the creation of the 3D structure.
  • the working means 4a and 5a are moved, for example, at the speed v1 in the second direction of movement 16, at which the printing unit 3 is also moved in the second direction of movement 16.
  • the working means 4a and 5a can be moved at a speed greater than v1.
  • the printing unit 3 is moved in the second direction of movement 16 at the speed v1 and applies binding agent to the surface of the current layer 18 for selectively solidifying predetermined areas, wherein these selectively solidified areas are intended for forming the 3D structure to be produced.
  • the second coater 4b and the second blade 5b are also moved in the second movement direction 16 following the printing unit 3.
  • the working means 4b and 5b are, for example, move horizontally over construction area 2 from left to right with speed v2.
  • the coater 4b applies a further layer of the particulate building material 6 and the blade 5b smoothes and compacts this particulate building material 6 applied by the coater 4b, whereby the subsequent layer 19 is formed.
  • the speed v1 is selected to be at least temporarily greater than the speed v2, so that the distance 20 is created between the working means 3 and 4b and 5b.
  • the velocities v1 and v2 are also shown in Figure 4 by means of further arrows, where the arrow illustrates the direction of the velocity and the length of the arrow illustrates a value for the velocity v1 and v2.
  • the first speed v1 of the printing unit 3 is greater than the second speed v2 of the working means 4b and 5b at least for a fixed period of time until the predetermined distance 20 is reached. Once this predetermined distance 20 is reached and thus the desired dwell time, the working means 4b and 5b are moved at a speed greater than v2, for example also at the first speed v1, until all active working means 3, 4b, 5b have reached the end of the construction field 2.
  • An alternative to achieving the specified distance 20 and thus the desired dwell time in this example is that at a time t1 the movement of the printing unit 3 over the construction area 2 is started in the first direction of movement 7 at the first speed v1, while the working means 4b and 5b are not yet moving or are standing still. In this way the distance 20 between the printing unit 3 and the assemblies 4b and 5b increases.
  • the movement of the working means 4b and 5b in the second direction of movement 16 preferably starts at the first speed v1 .
  • the working means 3, 4b and 5b are each moved at the first speed speed v1, whereby the distance 20 between the printing unit 3 and the working means 4b and 5b remains the same. This process also ends when the end of the construction area 2 is reached.
  • Figure 5 shows a schematic diagram of the arrangement 1 according to the invention for producing the 3D structure in the 3D printer in a second variant with its functionality only in the first direction of movement 7.
  • the working equipment 3, 4a, 5a in the example in Figure 5 has reached the left edge of the construction field 3 after moving in the first direction of movement 7, the working equipment 3, 4a, 5a are moved back to the right edge of the construction field 2 in the second direction of movement 16.
  • the processes of selective solidification, application, smoothing and compaction do not take place.
  • the production of the 3D structure can be continued by moving the working equipment 3, 4a, 5a again in the first direction of movement 7 with selective solidification, application, smoothing and compaction.
  • the return movement of the working means 3, 4a, 5a in the second direction of movement 16 can take place at the first speed v1 or at a speed which is greater than the first speed v1.

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Abstract

Der Erfindung, welche eine Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, womit die auf bereits aufgetragene Schichten des partikelförmigen Baumaterials sowie teilweise bereits verfestigte Bereiche des partikelförmigen Baumaterials einwirkenden Kräfte bei einem Auftragen einer weiteren Schicht des partikelförmigen Baumaterials verringert werden. Diese Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass jedes Arbeitsmittel (3, 4a, 4b, 5a, 5b) einen separat steuerbaren oder regelbaren Antrieb (17) aufweist, mit welchem das Arbeitsmittel in einer ersten Bewegungsrichtung (7) oder in einer zweiten Bewegungsrichtung (16) unabhängig von anderen Arbeitsmitteln und mit einer zumindest zeitweise gleichbleibenden oder sich zumindest zeitweise verändernden Geschwindigkeit über dem Baufeld (2) verfahren wird.

Description

Anordnung und Verfahren zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D- Drucker
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker, welche über einem Baufeld verfahrbare Arbeitsmittel aufweist, wobei die Arbeitsmittel ein Mittel zum Aufträgen eines partikelförmigen Baumaterials auf das Baufeld, ein Mittel zum Glätten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials und ein Mittel zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials sind.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker, wobei partikelförmiges Baumaterial schichtweise auf einem Baufeld des 3D-Druckers aufgetragen und selektiv verfestigt wird.
Bekannt ist es, zur Herstellung einzelner oder serienmäßiger Bauteile, Werkstücke oder Formen einen sogenannten 3D-Druck beziehungsweise ein sogenanntes 3D-Druckverfahren einzusetzen. Bei derartigen Druckverfahren werden dreidimensionale Bauteile oder Werkstücke schichtweise aufgebaut hergestellt.
Der Aufbau erfolgt rechnergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Vorgaben für die zu druckenden Bauteile oder Werkstücke (3D-Strukturen) können beispielsweise von sogenannten rechnerunterstützten Konstruktionssystemen (CAD engl. computer- aided design) in Form von 3D-Druckdaten bereitgestellt werden.
Beim Druck der 3D-Strukturen beziehungsweise 3D-Bauteile finden physikalische oder chemische Härtungsprozesse oder ein Schmelzprozess in einem partikelförmigen Baumaterial, welches auch als Formstoff bezeichnet wird, statt. Als Werkstoffe für derartige 3D-Druckverfahren werden Baumaterialien beziehungsweise Formstoffe wie Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken, unverfestigte Sedimente wie Mineralien oder Sande und Metalle eingesetzt.
Bei der Umsetzung von 3D-Druckverfahren sind verschiedene Fertigungsverfahrensabläufe bekannt. Mehrere dieser Verfahrensabläufe umfassen jedoch die nachfolgend beispielhaft dargestellten Verfahrensschritte:
• Teil- oder vollflächiges Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial, auch als Partikelmaterial oder pulverförmiges Aufbaumaterial bezeichnet, auf ein sogenanntes Baufeld, um eine Schicht aus nichtverfestigtem Partikelmaterial zu bilden, wobei das teil- oder vollflächige Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial auch ein Glätten des partikelförmigen Baumaterials umfassen kann.
• Selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht aus nichtverfestigtem partikelförmigem Baumaterial in vorbestimmten Teilbereichen, beispielsweise durch ein selektives Verdichten, Aufdrucken oder Aufbringen von Behandlungsmitteln, wie beispielsweise einem Bindemittel, mittels eines Druckkopfes oder dem Einsatz eines Lasers oder dem Einsatz von Elektronenstrahlen.
• Wiederholung der vorhergehenden Verfahrensschritte in einer weiteren Schichtebene zum schichtweisen Aufbau des Bauteils oder Werkstücks. Hierfür ist es vorgesehen, das Bauteil oder Werkstück, welches auf dem Baufeld schichtweise aufgebaut beziehungsweise aufgedruckt wird, mit dem Baufeld jeweils um eine Schichtebene oder Schichtdicke abzusenken oder die 3D-Druckvorrichtung jeweils um eine Schichtebene oder Schichtdicke gegenüber dem Baufeld anzuheben, bevor eine neue Schicht teil- oder vollflächig aufgetragen wird.
• Nachfolgendes Entfernen von losem, nichtverfestigtem partikelförmigem Baumaterial, welches das gefertigte Bauteil oder Werkstück umgibt.
Als partikelförmiges Baumaterial wird allgemein eine Anhäufung einzelner Teilchen eines Stoffes oder eines Stoffgemischs verstanden, wobei jedes Teilchen eine dreidimensionale Erstreckung aufweist. Da diese Teilchen überwiegend als runde, ovale oder auch längliche Teilchen aufgefasst werden können, ist es möglich, einen durchschnittlichen Durchmesser für ein derartiges Teilchen anzugeben, welcher meist im Bereich zwischen 0,01 mm bis 0,4 mm liegt. Ein derartiges partikelförmiges Baumaterial kann fluide Eigenschaften aufweisen. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Erzeugen einer 3D-Struktur beziehungsweise zum Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial auf ein Baufeld zur Erzeugung einer 3D-Struktur bekannt.
Aus der DE 10117875 C1 sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Aufträgen von Fluiden sowie deren Verwendung bekannt.
Das Verfahren zum Aufträgen von Fluiden bezieht sich insbesondere auf Partikelmaterial, welches auf einen zu beschichtenden Bereich aufgetragen wird, wobei vor einer Klinge, in Vorwärtsbewegungsrichtung der Klinge gesehen, das Fluid auf den zu beschichtenden Bereich aufgetragen wird und danach die Klinge über dem aufgetragenen Fluid verfahren wird.
Die Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung, ein Verfahren sowie eine Verwendung der Vorrichtung bereitzustellen, mit denen eine möglichst ebene Verteilung von fluidem Material auf einem zu beschichtenden Bereich erreicht werden kann.
Zur Lösung ist es vorgesehen, dass die Klinge eine Schwingung nach Art einer Drehbewegung ausführt. Durch die schwingende Drehbewegung der Klinge wird das auf den zu beschichtenden Bereich aufgebrachte Fluid fluidisiert. Hierdurch kann nicht nur stark zur Agglomerierung neigendes Partikelmaterial möglichst eben und glatt aufgetragen werden, sondern es ist darüber hinaus möglich, auch die Verdichtung des Fluids durch die Schwingung zu beeinflussen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Aufträgen des Fluids auf den zu beschichtenden Bereich im Überschuss erfolgt. So wird durch die ständige Bewegung der Klinge, die nach Art einer Drehbewegung oszilliert, das überschüssige Fluid, in Vorwärtsbewegungsrichtung der Klinge gesehen, vor der Klinge in einer aus Fluid beziehungsweise Partikelmaterial durch die Vorwärtsbewegung der Klinge gebildeten Walze homogenisiert. Dadurch können etwaige Hohlräume zwischen einzelnen Partikelklumpen gefüllt werden und größere Klumpen des Partikelmaterials werden durch die Walzenbewegung aufgebrochen.
Aus dem Stand der Technik sind auch verschiedene Mittel zum Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials in einem 3D-Drucker bekannt. Ein derartiges Mittel zum Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials, welches auch als Beschichter bezeichnet wird, ist nachfolgend beschrieben. Es versteht sich, dass zum Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials auch andere gleichwirkende Mittel eingesetzt werden können, ohne den Kern der vorliegenden Erfindung zu beeinflussen.
Zum Aufträgen einer Schicht des partikelförmigen Baumaterials wird beispielsweise der in der DE 10 2018 003 336 A1 beschriebene Beschichter horizontal über das Baufeld bewegt. Der hier beispielhaft beschriebene Beschichter ist ein sogenannter Fluidisierer, bei welchem das partikelförmige Baumaterial durch einen Auslass austritt und als Austrag zur Oberfläche des Baufelds gelangt, um dort eine neue Schicht aus partikelförmigem Baumaterial mit einer festgelegten Schichtdicke auszubilden. Zur Ausbildung einer gleichmäßigen Schicht aus partikelförmigem Baumaterial mit einer festgelegten Schichtdicke wird nach dem Stand der Technik üblicherweise auch ein Mittel zum Glätten der Schicht aus partikelförmigem Baumaterial wie beispielsweise eine Klinge eingesetzt.
Der Beschichter weist zur Bevorratung des partikelförmigen Baumaterials einen trichterförmigen Vorratsbehälter und zum Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials eine Öffnung beziehungsweise einen Auslass auf, welcher im unteren Bereich des Beschichters angeordnet ist. Weiterhin sind im unteren Bereich des trichterförmigen Vorratsbehälters Auslassmittel angeordnet, welche es verhindern, dass partikelförmiges Baumaterial ungewollt aus dem Beschichter auf das Baufeld gelangt.
Ein Aufträgen einer neuen Schicht des partikelförmigen Baumaterials auf das Baufeld wird dadurch erreicht, dass das partikelförmige Baumaterial im Bereich des Auslassmittels freigegeben wird.
Zeitgleich mit der Freigabe des Auslassmittels wird der Beschichter über das Baufeld bewegt und während dieser Bewegung eine neue Schicht des partikelförmigen Baumaterials auf das Baufeld aufgetragen.
Wie bereits erwähnt, wird das derart aufgetragene partikelförmige Baumaterial durch ein Mittel zum Glätten der Schicht des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials, wie beispielsweise mit einer Klinge, geglättet oder geglättet und verfestigt, wobei sich vor diesem Mittel eine Ansammlung des zu viel ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials ausbildet. Die Höhe und die Form dieser An- Sammlung werden von der Menge des zu viel durch den Beschichter aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials bestimmt.
Da es für den Fall, dass nicht ausreichend viel partikelförmiges Baumaterial auf die Oberfläche des Baufelds aufgetragen wird, zu Fehlstellen kommen kann, in welchen das partikelförmige Baumaterial nicht mit einer gewünschten Schichtdicke in der aktuell aufzutragenden Schicht ausgebildet wird, wird aus Sicherheitsgründen mehr beziehungsweise zu viel partikelförmiges Baumaterial von einem Beschichter auf die Oberfläche des Baufelds ausgetragen.
Wird ein Mittel zum Glätten der Schicht des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials, wie beispielsweise eine Klinge, horizontal über ein Baufeld bewegt, entstehen durch die Klinge sowie die sich vor dieser Klinge ausbildende Ansammlung des zu viel ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials Kräfte, welche auf den Untergrund einwirken. Dieser Untergrund besteht beispielsweise aus mehreren Schichten des bereits aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials, wobei dieses in Teilbereichen, welche die zu erzeugende 3D-Struktur ausbilden sollen, bereits selektiv verfestigt ist. Die Größe beziehungsweise der Betrag und die Richtung dieser auf den Untergrund einwirken Kräfte ist lokal verschieden. Der Betrag dieser Kräfte ist beispielsweise von der Neigung der Klinge, von der Höhe der Ansammlung des partikelförmigen Baumaterials, welche an verschiedenen Stellen der Ansammlung unterschiedlich sein kann, von der Bewegungsgeschwindigkeit der Klinge über dem Baufeld und von der Korngröße und Verteilung des partikelförmigen Baumaterials abhängig. Somit wirken an verschiedenen Stellen, vorzugsweise unter der Ansammlung, verschieden starke Kräfte auf den Untergrund, insbesondere auf die bereits selektiv verfestigten Bereiche der 3D- Struktur, ein.
Derartige Kräfte weisen allgemein eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente auf. Die horizontale Komponente, welche als Kraft FH bezeichnet wird, wirkt parallel zur Oberfläche des Baufelds in einem Bereich der letzten aufgetragenen Schicht des partikelförmigen Baumaterials. Die Kraft FH wird durch die horizontale Bewegung des Mittels zum Glätten, wie eine Klinge, verursacht. Die vertikale Komponente, welche als Kraft Fv bezeichnet wird, wirkt lotsenkrecht zur Oberfläche des Baufeldes beziehungsweise lotsenkrecht zu der letzten aufgetra- genen Schicht des partikelförmigen Baumaterials. Die Kraft Fv wird durch die Gewichtskraft des partikelförmigen Baumaterials, insbesondere des in der Ansammlung befindlichen partikelförmigen Baumaterials, verursacht. In der Praxis kommt es zu einer Überlagerung der Kräfte FH und Fv und zur Entstehung einer resultierenden Kraft FR. Diese resultierenden Kraft FR ist in einem Winkel zur Oberfläche des Baufelds beziehungsweise der Lotsenkrechten gerichtet, welcher durch die Anteile der Kräfte FH und Fv bestimmt wird und an verschiedenen Stellen der Ansammlung, insbesondere entlang der Längserstreckung der Ansammlung, verschieden sein kann. Ebenso kann der Betrag der resultierenden Kraft FR an verschiedenen Stellen unterschiedlich groß sein.
Diese in einem Winkel zur Oberfläche des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials auf den Untergrund einwirkenden resultierenden Kräfte FR führen zu Verschiebungen in den Schichten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials und in den teilweise selektiv verfestigten Bereichen der zu erzeugenden 3D- Struktur. Hierdurch kommt es zu Ungenauigkeiten bezüglich der Abmessungen der zu erzeugenden 3D-Struktur. Überschreiten derartige Abmessungen eine bestimmte Toleranz, kann die erzeugte 3D-Struktur in einigen Fällen nicht mehr verwendet werden. Eine derartige Toleranz bei der Fertigung einer 3D-Struktur kann beispielsweise im Bereich kleiner als ± 0,5 mm, insbesondere ± 0,3 mm, liegen.
Das heißt, dass für den Fall, dass eine Ungenauigkeit an nur einer Stelle der zu erzeugenden 3D-Struktur größer als ± 0,5 mm, insbesondere größer als ± 0,3 mm, ist, die erzeugte 3D-Struktur nicht mehr verwendet werden kann.
Ein weiteres Problem können zu hohe Reibungskräfte zwischen den Partikeln des partikelförmigen Baumaterials selbst oder zwischen den Partikeln des partikelförmigen Baumaterials und einer Klinge eines Mittels zum Glätten verursachen, da es hierdurch zu einer unzulässigen punktuellen Erwärmung kommen kann, durch welche beispielsweise die physikalischen Eigenschaften des partikelförmigen Baumaterials beeinflusst werden.
Daher sind Lösungen aus dem Stand der Technik bekannt, mittels welcher versucht wird, die Größe beziehungsweise Menge der Ansammlung vor einem Mittel zum Glätten, wie eine Klinge, zu beeinflussen beziehungsweise in einer vorgegebenen Größe beziehungsweise Menge konstant zu halten. Hierbei kann es vorgesehen sein, die Größe der Ansammlung beispielsweise mittels einer Kamera und einem geeigneten Algorithmus zu bestimmen und in Abhängigkeit der ermittelten Größe der Ansammlung eine von einem Austräger auf die Oberfläche des Baufelds ausgetragene Menge des partikelförmigen Baumaterials zu beeinflussen, um die Größe der Ansammlung beispielsweise konstant zu halten. Hierbei kann es auch vorgesehen sein, die Größe der Ansammlung vor einem Mittel zum Glätten auf einem Minimum zu halten, um die auf den Untergrund wirkenden Kräfte minimal zu halten. Dieses Minimum beziehungsweise diese minimal notwendige Höhe Hmin der Ansammlung wird benötigt, um eine Schicht des partikelförmigen Baumaterials gleichmäßig, mit einer festgelegten Schichtdicke und ohne Fehlstellen aufbringen zu können.
Nachteilig an derartigen Lösungen ist es, dass diese Lösungen aufwändig sind und hohe Kosten sowie einen erhöhten Steuerungs- und Regelaufwand bezüglich des Auftragens des partikelförmigen Baumaterials verursachen. Außerdem können derartige Lösungen unterschiedliche Größen der Ansammlung entlang der Längserstreckung der Klinge, welche in der Praxis sehr oft auftreten, nicht verhindern. Somit treten entlang der Längserstreckung der Klinge, trotz einer gezielten Beeinflussung der Größe der Ansammlung, unterschiedlich starke auf den Untergrund wirkende Kräfte auf. Dies führt dazu, dass eine lokal unterschiedlich starke Beanspruchung entlang der Klingenlänge in den darunterliegenden selektiv verfestigten Strukturen auftritt.
Ein weiterer Stand der Technik ist aus der DE 10 2019 007 480 A1 bekannt, welche eine Anordnung und ein Verfahren zum Erzeugen einer Schicht eines partikelförmigen Baumaterials in einem 3D-Drucker betrifft. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Lösung anzugeben, womit eine Steigerung der Quantität des Materialauftrags mit einer gleichbleibenden Qualität und eine Reduzierung der auf das Baufeld wirkenden Kräfte beim Aufträgen, Glätten und Verdichten des partikelförmigen Baumaterials erreicht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird in der Anordnung eine erste Baugruppe mit einem Mittel zum Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials auf ein Baufeld und eine zweite Baugruppe, welche räumlich zu der ersten Baugruppe beabstandet in der Anordnung angeordnet ist, mit einem Mittel zum Glätten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials vorgesehen.
Die verfahrensgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, dass in einem ersten Verfahrensschritt das partikelförmige Baumaterial auf ein Baufeld aufgetragen wird und dass in einem dem ersten Verfahrensschritt zeitlich nachfolgendem und von diesem unabhängigen zweiten Verfahrensschritt ein Glätten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials erfolgt.
Diese aus dem Stand der Technik bekannte Trennung der Baugruppen zum Aufträgen und Glätten in zwei separate Baugruppen führt dazu, dass das aufgetragene partikelförmige Baumaterial auf ein Baufeld, zumindest bei entsprechend geringen Verfahrgeschwindigkeiten der Arbeitsmittel über dem Baufeld, eine Verweilzeit erfährt, bevor es geglättet und verdichtet wird. Diese Verweilzeit kann zu einer Verbesserung der Verteilung und Ausrichtung der Partikel des partikelförmigen Baumaterials in der aktuell aufgetragenen Schicht führen.
Der konstruktiv festgelegte Abstand der Baugruppen zum Aufträgen und Glätten führt jedoch zu Limitierungen des im 3D-Drucker angewandten Verfahrens zur Herstellung einer 3D-Struktur.
Zum einen wird durch den konstruktionsbedingt festen Abstand der Baugruppen zueinander eine maximal mögliche Geschwindigkeit bei einem Verfahren der Baugruppen über dem Baufeld limitiert, zumindest für den Fall, dass eine minimal notwendige Verweilzeit eingehalten werden soll, um die auftretenden resultierenden Kräfte FR ZU reduzieren. Andererseits kann keine Anpassung beispielsweise an verschiedene partikelförmige Materialien vorgenommen werden, da diese zum Teil unterschiedliche Verweilzeiten auf der Oberfläche des Baufeldes zwischen den Verfahrensschritten Aufträgen und Glätten benötigen, um vorgegebene Toleranzen bei der Fertigung der 3D-Struktur im 3D-Drucker einzuhalten. Außerdem ist weder ein Zusammenwirken der beschriebenen Baugruppen mit einer Druckeinheit noch eine Anpassung eines Abstandes der beschriebenen Baugruppen zu der Druckeinheit zum Zweck einer Reduzierung der auf den Untergrund einwirkenden resultierenden Kräfte vorgesehen. Somit besteht ein Bedarf nach einer Verbesserung des bekannten Stands der Technik und somit an einer verbesserten Anordnung und einem verbesserten Verfahren zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker anzugeben, womit die auf bereits aufgetragene Schichten des partikelförmigen Baumaterials sowie teilweise bereits verfestigte Bereiche des partikelförmigen Baumaterials einwirkenden Kräfte bei einem Aufträgen einer weiteren Schicht des partikelförmigen Baumaterials verringert werden.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Anordnungen zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker, weisen üblicherweise über einem Baufeld verfahrbare Arbeitsmittel auf. Derartige Arbeitsmittel des 3D-Druckers sind als ein Mittel zum Aufträgen eines partikelförmigen Baumaterials auf das Baufeld, wie ein Beschichter, und als ein Mittel zum Glätten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials, auch als Klinge bezeichnet, bekannt. Weiterhin ist in einem 3D-Drucker beispielsweise ein Druckkopf als ein Mittel zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials angeordnet.
Bei der nachfolgend vorrangig beschriebenen Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker wird angenommen, dass es nach einem vollständigen Aufträgen einer ersten Schicht des partikelförmigen Baumaterials vorgesehen ist, dass bei einer Überfahrt der Arbeitsmittel über das Baufeld in einer ersten Bewegungsrichtung ein selektives Verfestigen der zuvor aufgebrachten Schicht des partikelförmigen Baumaterials und ein Aufträgen einer weiteren Schicht des partikelförmigen Baumaterials erfolgt. Nachfolgend ist es vorgesehen, dass bei einer weiteren Überfahrt der Arbeitsmittel über das Baufeld in einer zweiten Bewegungsrichtung ein selektives Verfestigen der zuvor aufgebrachten Schicht des partikelförmigen Baumaterials und ein Aufträgen einer weiteren Schicht des partikelförmigen Baumaterials erfolgt und so weiter. Derart wird in beiden Bewegungsrichtun- gen jeweils selektiv verfestigt und eine weitere Schicht des partikelförmigen Baumaterials aufgetragen. Der erfindungsgemäße Gedanke ist jedoch nicht auf dieses Vorgehen beziehungsweise die Reihenfolge der beschriebenen Arbeitsschritte beschränkt und kann von einem Fachmann auf abweichende Ausführungen übertragen werden.
Vorgesehen ist es erfindungsgemäß, dass jedes Arbeitsmittel einen separat steuerbaren oder regelbaren Antrieb aufweist, mit welchem das Arbeitsmittel in einer ersten Bewegungsrichtung oder in einer zweiten Bewegungsrichtung unabhängig von anderen Arbeitsmitteln und mit einer zumindest zeitweise gleichbleibenden oder sich zumindest zeitweise verändernden Geschwindigkeit über dem Baufeld verfahren wird.
Zur Verringerung der auf bereits aufgetragene Schichten des partikelförmigen Baumaterials sowie teilweise bereits verfestigte Bereiche des partikelförmigen Baumaterials einwirkenden Kräfte bei einem Aufträgen einer weiteren Schicht des partikelförmigen Baumaterials wird jedes Arbeitsmittel mit einem separaten, das jeweilige Arbeitsmittel unabhängig von anderen Arbeitsmitteln verfahrenden Antrieb ausgestattet. Diese Antriebe sind steuerbare oder regelbare Antriebe, welche beispielsweise durch Steuersignale einer zentralen Steuerung des 3D- Druckers angesteuert werden.
Mit seinem eigenen Antrieb kann jedes Arbeitsmittel separat in einer ersten Bewegungsrichtung oder in einer zweiten, der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzten, Bewegungsrichtung horizontal über der Oberfläche des Baufeldes und mit verschiedenen Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen verfahren werden.
Hierbei stellt die erste Bewegungsrichtung beispielsweise eine Bewegung der Arbeitsmittel horizontal über dem Baufeld von rechts nach links dar, während die zweite Bewegungsrichtung eine Bewegung der Arbeitsmittel horizontal über dem Baufeld von links nach rechts, also entgegengesetzt zur ersten Bewegungsrichtung, oder umgekehrt beschreibt.
Die separaten Antriebe der Arbeitsmittel ermöglichen es, dass die Arbeitsmittel mit einem festlegbaren Abstand zueinander über das Baufeld verfahren werden können. Außerdem ist es möglich, den Abstand zwischen zwei Arbeitsmitteln, wie beispielsweise einer Druckeinheit zum Aufbringen eines Bindemittels und einem der Druckeinheit nachfolgenden Beschichter zum Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials, zumindest innerhalb einer festgelegten Zeitspanne beziehungsweise zeitweise immer größer werden zu lassen. Hierfür wird die Druckeinheit mit einer Geschwindigkeit v1 und der Austräger mit einer Geschwindigkeit v2 über dem Baufeld bewegt, wobei die Geschwindigkeit v1 größer als die Geschwindigkeit v2 ist.
Je größer der Abstand zwischen zwei Arbeitsmitteln, wie beispielsweise einer Druckeinheit und einem der Druckeinheit nachfolgenden Beschichter, gewählt wird, desto größer ist eine Verweilzeit, also eine Zeitspanne zwischen dem Beginn des selektiven Verfestigens des Partikelmaterials durch das von der Druckeinheit auf das partikelförmige Baumaterial aufgebrachte Bindemittel und einem weiteren partikelförmigen Baumaterialauftrag auf diesen sich verfestigenden Bereich in einer nachfolgenden Schicht. In dieser Verweilzeit erfolgt ein Aushärten der selektiv verfestigten Bereiche, wobei diese selektiv verfestigten Bereiche mit fortlaufender Zeit mechanisch immer stabiler werden.
Bei einer entsprechend großen Verweilzeit härtet das partikelförmige Baumaterial in den selektiv verfestigten Bereichen somit besser aus, bevor die nachfolgende Schicht des partikelförmigen Baumaterials über die selektiv verfestigten Bereiche aufgebracht wird. Vorgesehen ist es erfindungsgemäß, dass die Verweilzeit in einem Bereich zwischen 0,05 s und 5,0 s liegt. Dies bedeutet, dass die Zeitspanne zwischen dem Beginn des selektiven Verfestigens des partikelförmigen Baumaterials durch das von der Druckeinheit auf das partikelförmige Baumaterial aufgebrachte Bindemittel und einem weiteren Auftrag des partikelförmigen Baumaterials auf diesen sich verfestigenden Bereich durch den nachfolgenden Beschichter in einer nachfolgenden Schicht bis zu 5,0 s betragen kann.
Der negative Einfluss der oben beschrieben Kräfte (FH, Fv und FR.) auf den Untergrund und insbesondere auf die selektiv verfestigten Bereiche verringert sich mit zunehmender Verfestigung beziehungsweise dem zunehmenden Aushärten der selektiv verfestigten Bereiche. Daher wirkt sich eine gegenüber dem Stand der Technik größere Verweilzeit positiv auf die Festigkeit der selektiv verfestigten Bereiche aus und führt derart zu geringen Ungenauigkeiten der Abmessungen der erzeugten 3D-Struktur.
Je kleiner beispielsweise die Geschwindigkeit eines der Druckeinheit beim Verfahren über dem Baufeld folgenden Beschichters ist, desto größer ist die Verweilzeit und somit die Festigkeit der selektiv verfestigten Bereiche, bevor der negative Einfluss der auf die verfestigten Bereiche einwirkenden Kräfte (FH, Fv und FR.), verursacht durch den nachfolgenden Vorgang des Auftragens und Glättens der nächsten Schicht des partikelförmigen Baumaterials, wirken kann.
Allgemein ausgedrückt, je kleiner die Geschwindigkeit des Beschichters und/oder des Mittels zum Glätten und Verdichten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials, desto geringer sind die Kräfte, welche zu Verschiebungen in den Schichten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials und in den teilweise selektiv verfestigten Bereichen der zu erzeugenden 3D-Struktur führen.
Da die Schichten beziehungsweise Partikel des partikelförmigen Baumaterials somit weniger belastet beziehungsweise geringer beschleunigt werden, kommt es zu einer Reduzierung der auf das Baufeld wirkenden Kräfte beim Aufträgen, Glätten und Verdichten des partikelförmigen Baumaterials. Somit werden Ungenauigkeiten bezüglich der Abmessungen der zu erzeugenden 3D-Struktur reduziert und die Qualität der zu erzeugenden 3D-Struktur verbessert.
Allgemein vorgesehen ist es erfindungsgemäß, dass durch ein Anordnen je eines Antriebes in den Arbeitsmitteln des 3D-Druckers die Geschwindigkeit der Arbeitsmittel beim Verfahren der Arbeitsmittel über dem Baufeld separat, also unabhängig voneinander gesteuert oder geregelt werden. Diese Ausgestaltung mit eigenen Antrieben ermöglicht es auch, dass die Baugruppen in einer Relation zueinander bewegt beziehungsweise Verfahren werden. Diese Relation meint einerseits, dass ein Arbeitsmittel relativ zu einem zweiten Arbeitsmittel bewegt wird, wobei eine Geschwindigkeit eines zweiten, einem ersten Arbeitsmittel nachfolgenden Arbeitsmittels beispielsweise 1/4 oder 1/3 oder 1/2 der Geschwindigkeit des ersten Arbeitsmittels ist. Mit dieser Relation ist auch ein Verfahren des ersten und des zweiten Arbeitsmittels gemeint, wobei die Geschwindigkeiten der Ar- beitsmittel gleich sind, unabhängig davon, ob sich beide Arbeitsmittel mit 400 mm/s oder mit 800 mm/s über das Baufeld bewegen.
Erfindungsgemäß vorgesehen ist es auch, dass über dem Baufeld ein erstes Mittel zum Aufträgen eines partikelförmigen Baumaterials, ein erstes Mittel zum Glätten und Verdichten des vom ersten Mittel auf das Baufeld aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials, ein Mittel zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials sowie ein zweites Mittel zum Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials und ein zweites Mittel zum Glätten und Verdichten des vom zweiten Mittel auf das Baufeld aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials jeweils mit dem eigenen separat steuerbaren oder regelbaren Antrieb versehen angeordnet sind.
Das Aufbringen eines Bindemittels durch eine Druckeinheit und das nachfolgende Aufträgen einer weiteren Schicht des partikelförmigen Baumaterials mittels des Beschichters sowie das Glätten des vom Beschichter aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials mittels einer Klinge ist in der ersten Bewegungsrichtung oder in der zweiten Bewegungsrichtung vorgesehen. Hierfür sind die separat verfahrbaren Arbeitsmittel des 3D-Druckers beispielsweise in der Abfolge Druckeinheit, Beschichter und Klinge angeordnet. Diese Anordnungsvariante ermöglicht es, dass die Schritte Aufbringen eines Bindemittels, Aufträgen einer weiteren Schicht des partikelförmigen Baumaterials und Glätten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials bei einer Überfahrt der Arbeitsmittel über das Baufeld des 3D- Druckers beispielsweise in der ersten Bewegungsrichtung erfolgen. Nachfolgend müssen die Arbeitsmittel beispielsweise in der zweiten Bewegungsrichtung zurückgefahren werden, um die Schritte Aufbringen, Aufträgen und Glätten in einer nachfolgenden Schicht zu wiederholen und derart die 3D-Struktur schichtweise aufzubauen. Bei diesem Zurückfahren der Arbeitsmittel kann die Herstellung der 3D-Struktur nicht fortgesetzt werden.
Zur Verbesserung der Effektivität bei der Erzeugung der 3D-Struktur ist erfindungsgemäß auch ein bidirektionaler Betrieb des 3D-Druckers vorgesehen. Bei diesem bidirektionalen Betrieb können die Schritte Aufbringen eines Bindemittels, Aufträgen einer weiteren Schicht des partikelförmigen Baumaterials und Glätten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials bei einer Überfahrt sowohl in der ersten Bewegungsrichtung als auch in der zweiten Bewegungsrichtung durchgeführt werden. Ein Zurückfahren der Arbeitsmittel ohne eine Fortsetzung des Vorganges der Herstellung der 3D-Struktur ist nicht mehr erforderlich.
Zur Realisierung des bidirektionalen Betriebs des 3D-Druckers ist es notwendig, dass im 3D-Drucker über dem Baufeld ein erstes Mittel zum Aufträgen eines partikelförmigen Baumaterials, ein erstes Mittel zum Glätten und Verdichten des vom ersten Mittel auf das Baufeld aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials und ein Mittel zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials angeordnet sind. Zusätzlich ist es notwendig, dass im 3D-Drucker über dem Baufeld ein zweites Mittel zum Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials und ein zweites Mittel zum Glätten und Verdichten des vom zweiten Mittel auf das Baufeld aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials angeordnet sind.
Für die Schritte Aufbringen, Aufträgen und Glätten in der ersten oder in der zweiten Bewegungsrichtung werden die Arbeitsmittel Mittel zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials, erstes Mittel zum Aufträgen eines partikelför- migen Baumaterials und erstes Mittel zum Glätten und Verdichten des vom ersten Mittel auf das Baufeld aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials eingesetzt. Für die nachfolgenden Schritte Aufbringen, Aufträgen und Glätten in der zweiten oder in der ersten Bewegungsrichtung werden die Arbeitsmittel Mittel zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials, zweites Mittel zum Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials und zweites Mittel zum Glätten und Verdichten des vom zweiten Mittel auf das Baufeld aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials eingesetzt.
Die Reihenfolge der Anordnung der Arbeitsmittel über dem Baufeld ist beispielsweise zweites Mittel zum Glätten und Verdichten, zweites Mittel zum Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials, Mittel zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials, erstes Mittel zum Aufträgen eines partikelförmigen Baumaterials und erstes Mittel zum Glätten und Verdichten oder umgekehrt.
Auch in dieser Ausführungsvariante weisen alle Arbeitsmittel einen eigenen separat steuerbaren oder regelbaren Antrieb auf und können somit unabhängig voneinander zu verschiedenen Zeiten gestartet werden und mit verschiedenen Ge- schwindigkeiten und Beschleunigungen über dem Baufeld in der ersten und in der zweiten Bewegungsrichtung verfahren werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass die Mittel zum Aufträgen eines partikelförmigen Baumaterials Beschichter, die Mittel zum Glätten und Verdichten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials Klingen und das Mittel zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials eine Druckeinheit sind.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung erfolgt das Aufträgen eines partikelförmigen Baumaterials durch einen Beschichter, dessen Menge des abgegebenen partikelförmigen Baumaterials geregelt oder gesteuert wird. Als Mittel zum Glätten und Verdichten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials kommt eine Klinge zum Einsatz, welche in Richtung einer sich in Bewegungsrichtung vor der Klinge ausbildenden Anhäufung des partikelförmigen Baumaterials geneigt angeordnet ist. Als Mittel zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials wird eine Druckeinheit verwendet, welche mehrere Düsen aufweist, über welche das Bindemittel auf die selektiv zu verfestigenden Bereiche auf der Oberfläche des aufgetragenen und geglätteten beziehungsweise auch verdichteten partikelförmigen Baumaterials aufgebracht wird.
Weiterhin vorgesehen ist es, dass der separat steuerbare oder regelbare Antrieb in jedem Arbeitsmittel ein elektrischer Linearantrieb, ein elektromechanischer Linearantrieb, ein elektromagnetischer Antrieb, ein Kugel- oder Rollengewindeantrieb, ein Zahnstangenantrieb oder ein Gewindespindelantrieb ist.
Die erfindungsgemäßen Arbeitsmittel weisen einen eigenen, separat steuerbaren oder regelbaren Antrieb auf, welcher das jeweilige Arbeitsmittel unabhängig von einen oder zwei benachbarten Arbeitsmitteln über dem Baufeld des 3D-Druckers verfährt. Prinzipiell sind hierfür alle steuerbaren oder regelbaren Antriebe geeignet, welche es ermöglichen, das Arbeitsmittel zu einer festgelegten Zeit in eine Verfahrbewegung zu versetzen, wobei der Antrieb das Arbeitsmittel mit einer wählbaren Richtung, also in der ersten Bewegungsrichtung oder in der zweiten Bewegungsrichtung, mit einer wählbaren Beschleunigung sowie mit einer wählbaren Geschwindigkeit über dem Baufeld verfährt. In einer nicht abgeschlossenen Aufzählung werden als Antriebe ein elektrischer Linearantrieb, ein elektromechanischer Linearantrieb, ein elektromagnetischer Antrieb, ein Kugel- oder Rollengewindeantrieb, ein Zahnstangenantrieb oder ein Gewindespindelantrieb genannt.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 5 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker ist es vorgesehen, dass partikelförmiges Baumaterial schichtweise auf einem Baufeld des 3D-Druckers aufgetragen und selektiv verfestigt wird.
Erfindungsgemäß ist es hierbei vorgesehen, dass über dem Baufeld separat verfahrbare Arbeitsmittel bereitgestellt werden, wobei die Arbeitsmittel mindestens ein Mittel zum Aufträgen eines partikelförmigen Baumaterials wie ein Beschichter, mindestens ein Mittel zum Glätten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials wie eine Klinge und ein Mittel zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials wie eine Druckeinheit sind.
In einer Ausgestaltung sind zwei Beschichter, zwei Klingen und eine Druckeinheit über dem Baufeld angeordnet.
Vorgesehen ist es weiterhin, dass jedes Arbeitsmittel einen eigenen Antrieb aufweist und dass die Arbeitsmittel derart separat steuerbar oder regelbar sind, dass diese unabhängig voneinander in einer ersten Bewegungsrichtung oder in einer zweiten Bewegungsrichtung über dem Baufeld verfahren werden, wobei die Arbeitsmittel zumindest zeitweise mit einem konstanten, festgelegten Abstand zueinander oder zumindest zeitweise mit einem sich verändernden Abstand zueinander verfahren werden.
Um eine Zeitspanne zwischen einem Aufbringen eines Bindemittels durch die Druckeinheit und dem nachfolgenden Aufträgen einer weiteren Schicht des partikelförmigen Baumaterials durch den in seiner Bewegung der Druckeinheit nachfolgenden Beschichter so groß wie möglich zu gestalten, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Beschichter mit einem Abstand oder einem sich verändernden Abstand, insbesondere einem größer werdenden, Abstand in Relation zur Druckeinheit verfahren wird. Die zwischen dem Aufbringen des Bindemittels durch die Druckeinheit und dem nachfolgenden Aufträgen der weiteren Schicht des partikelförmigen Baumaterials durch den Beschichter vergehende Zeit beziehungsweise die Zeitspanne wird in dieser Beschreibung auch als Verweilzeit bezeichnet.
Für den Fall, dass die Druckeinheit in der ersten Bewegungsrichtung verfahren wird, ist der nachfolgende Beschichter der erste Beschichter. Für den Fall, dass die Druckeinheit in der zweiten Bewegungsrichtung verfahren wird, ist der nachfolgende Beschichter der zweite Beschichter. Weiterhin gilt, dass für den Fall, dass die Druckeinheit in der ersten Bewegungsrichtung verfahren wird, die nachfolgenden Arbeitsmittel der erste Beschichter und die erste Klinge sind. Für den Fall, dass die Druckeinheit in der zweiten Bewegungsrichtung verfahren wird, sind die nachfolgenden Arbeitsmittel der zweite Beschichter und die zweite Klinge.
Für ein Erreichen einer ausreichenden Verweilzeit ist es vorgesehen, dass sich der Abstand zwischen der Druckeinheit und dem nachfolgenden Beschichter zumindest zeitweise verändert und größer wird. Durch das Erreichen eines ausreichend großen Abstandes zwischen der Druckeinheit und dem nachfolgenden Beschichter wird eine ausreichend lange Verweilzeit sichergestellt, in welcher ein zumindest teilweises Aushärten der selektiv verfestigten Bereiche erfolgt. Diese selektiv verfestigten Bereiche werden mit fortlaufender Zeit immer stabiler und somit resistenter gegenüber den auf diese Bereiche einwirkenden Kräften (FH, FV und FR.).
Für den Fall, dass der Abstand zwischen der Druckeinheit und dem nachfolgenden Beschichter eine Größe erreicht hat, welche eine ausreichende Verweilzeit gewährleistet, wird der sodann erreichte Abstand beibehalten. Das heißt, die Druckeinheit und der nachfolgende Beschichter werden nach dem Erreichen dieses Abstandes mit diesem erreichten beziehungsweise festgelegtem Abstand zueinander über dem Baufeld mit gleichen Geschwindigkeiten verfahren. Weiterhin vorgesehen ist es, dass die Arbeitsmittel erster Beschichter und erste Klinge in der ersten Bewegungsrichtung oder die Arbeitsmittel zweiter Beschichter und zweite Klinge in der zweiten Bewegungsrichtung mit einem zum Mittel zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Materials, also der Druckeinheit, gleichem oder sich vergrößernden Abstand, also mit einer gleichen oder geringeren Geschwindigkeit, über dem Baufeld verfahren werden.
In der ersten Bewegungsrichtung folgen die Arbeitsmittel erster Beschichter und erste Klinge der Druckeinheit mit der gleichen oder einer geringeren Geschwindigkeit. In der zweiten Bewegungsrichtung folgen die Arbeitsmittel zweiter Beschichter und zweite Klinge der Druckeinheit mit der gleichen oder einer geringeren Geschwindigkeit. Derart wird der bidirektionale Betrieb des 3D-Druckers sichergestellt.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, dass das Verfahren der Arbeitsmittel erster Beschichter und erste Klinge in der ersten Bewegungsrichtung oder das Verfahren der Arbeitsmittel zweiter Beschichter und zweite Klinge in der zweiten Bewegungsrichtung mit einer zeitlichen Verzögerung Delta t zum Start des Verfahrens der Druckeinheit beginnt.
Für das Erreichen der ausreichenden Verweilzeit ist es vorgesehen, dass das Verfahren der Druckeinheit zu einem Zeitpunkt t1 mit einer ersten Geschwindigkeit v1 gestartet wird, während der nachfolgende Beschichter eine zweite Geschwindigkeit v2 von Null aufweist, also nicht über dem Baufeld verfahren wird.
Für den Fall, dass der Abstand zwischen der sich konstant mit einer ersten Geschwindigkeit v1 bewegenden Druckeinheit und dem nachfolgenden Beschichter einen festgelegten Wert erreicht hat oder eine vorgegebene Zeitdauer Delta t abgelaufen ist, startet zu einem Zeitpunkt t2 das Verfahren des nachfolgenden Arbeitsmittels Beschichter und Klinge, welches sodann mit einer zweiten Geschwindigkeit v2 in die Richtung der vorausfahrenden Druckeinheit verfahren wird. Vorgesehen ist es hierbei, dass die erste Geschwindigkeit v1 gleich oder größer als die zweite Geschwindigkeit v2 gewählt wird.
Hierbei ist es auch vorgesehen, dass das Verfahren des ersten Beschichters und der ersten Klinge in der ersten Bewegungsrichtung gemeinsam zum Zeitpunkt t2 gestartet wird und dass diese beiden nachfolgenden Arbeitsmittel jeweils mit der zweiten Geschwindigkeit v2 über dem Baufeld verfahren werden. Ebenso ist es vorgesehen, dass das Verfahren der nachfolgenden Arbeitsmittel zweiter Beschichter und zweite Klinge in der zweiten Bewegungsrichtung gemeinsam zum Zeitpunkt t2 gestartet wird und dass diese beiden nachfolgenden Arbeitsmittel jeweils mit der zweiten Geschwindigkeit v2 über dem Baufeld verfahren werden.
Verfahrensgemäß ist es weiterhin vorgesehen, dass die Arbeitsmittel erster Beschichter und erste Klinge in der ersten Bewegungsrichtung oder die Arbeitsmittel zweiter Beschichter und zweite Klinge in der zweiten Bewegungsrichtung für eine erste festgelegte Zeitdauer mit einer gegenüber der Druckeinheit geringeren Geschwindigkeit und nachfolgend für eine zweite festgelegte Zeitdauer mit einer gegenüber der Druckeinheit gleichen Geschwindigkeit über dem Baufeld verfahren werden.
Für ein Erreichen eines sich zwischen der Druckeinheit und dem nachfolgenden Beschichter ausbildenden Abstandes, welcher eine benötigte Verweilzeit gewährleistet, ist Nachfolgendes vorgesehen. Angenommen wird in einem Beispiel, dass sich die Arbeitsmittel Druckeinheit, erster Beschichter und erste Klinge gemeinsam an einem ersten Ende des über dem Baufeld ausgebildeten Verfahrweges, beispielsweise auf einer rechten Seite, befinden und nachfolgend über dem Baufeld in der ersten Bewegungsrichtung verfahren werden.
Das Verfahren der Arbeitsmittel in der ersten Bewegungsrichtung wird in einem Zeitpunkt t1 gestartet, wobei für eine erste festgelegte Zeitdauer die Druckeinheit mit der ersten Geschwindigkeit v1 und der erste Beschichter und die erste Klinge gemeinsam mit der zweiten Geschwindigkeit v2 verfahren werden. Für diese erste festgelegte Zeitdauer gilt, dass die erste Geschwindigkeit v1 größer ist als die zweite Geschwindigkeit v2. In einem Beispiel beträgt die erste Geschwindigkeit v1 800 mm/s und die zweite Geschwindigkeit v2400 mm/s. Ein Abstand zwischen der Druckeinheit und einem nachfolgenden Beschichter kann in einem Bereich zwischen 100 mm und 2000 mm liegen. Weiterhin möglich ist es auch, dass die Druckeinheit mit der ersten Geschwindigkeit v1 , der erste Beschichter mit der zweiten Geschwindigkeit v2 und die erste Klinge mit einer dritten Geschwindigkeit v3 in der ersten Bewegungsrichtung oder in der zweiten Bewegungsrichtung ver- fahren werden. Hierbei können die Geschwindigkeiten derart gesteuert oder geregelt werden, dass gilt v1 < v2 < v3.
Außerdem ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Abstand zwischen der Druckeinheit und einem der Druckeinheit nachfolgenden Beschichter einer Länge des Baufeldes, auch als Baubox bezeichnet, entspricht. Somit wird zuerst das Arbeitsmittel Druckeinheit vollständig in der gesamten Länge des Baufeldes über das Baufeld bewegt und nachfolgend mit dem Verfahren der Arbeitsmittel Beschichter mit Klinge gestartet.
Nach Ablauf der ersten festgelegten Zeitdauer ist ein Abstand zwischen der Druckeinheit und den Arbeitsmitteln erster Beschichter und erste Klinge erreicht, welcher eine ausreichende Verweilzeit gewährleistet.
Nach Ablauf dieser ersten festgelegten Zeitdauer werden die Arbeitsmittel in der ersten Bewegungsrichtung für eine zweite festgelegte Zeitdauer derart verfahren, dass die erste Geschwindigkeit v1 gleich der zweiten Geschwindigkeit v2 ist, wobei sich der Abstand zwischen der Druckeinheit und dem ersten Beschichter sowie der ersten Klinge nicht mehr verändert, bis das gegenüberliegende zweite Ende des über dem Baufeld ausgebildeten Verfahrweges von den Arbeitsmitteln erreicht wird.
Die obige Beschreibung des Verfahrens der Arbeitsmittel in der ersten Bewegungsrichtung ist beispielhaft. Die erfindungsgemäße Ausführung des Verfahrens der Arbeitsmittel mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu festgelegten Zeitdauern ist sowohl in der ersten Bewegungsrichtung als auch in der zweiten Bewegungsrichtung anwendbar.
Weiterhin vorgesehen ist es, dass die Geschwindigkeit der Arbeitsmittel erster Beschichter und erste Klinge in der ersten Bewegungsrichtung oder der Arbeitsmittel zweiter Beschichter und zweite Klinge in der zweiten Bewegungsrichtung, für den Fall, dass die Arbeitsmittel erster Beschichter und erste Klinge oder die Arbeitsmittel zweiter Beschichter und zweite Klinge mit einem sich verändernden Abstand zur Druckeinheit verfahren werden, in einem Bereich zwischen 10 % bis 90 %, insbesondere in einem Bereich zwischen 30 % bis 80 %, weiter insbesondere bei 60 %, der Geschwindigkeit der Druckeinheit liegt. Wie bereits dargestellt, kann das Verfahren der Arbeitsmittel Druckeinheit und Beschichter mit Klinge mit einem sich verändernden Abstand erfolgen. Ein sich verändernder Abstand ist in diesem Fall ein sich vergrößernder Abstand, um eine Verweilzeit zu erreichen, in welcher ein zumindest verbessertes Aushärten der selektiv verfestigten Bereiche erfolgen kann.
Hierfür wird die erste Geschwindigkeit v1 der Druckeinheit größer als die zweite Geschwindigkeit v2 der nachfolgenden Arbeitsmittel Beschichter und Klinge gewählt. Dieser Geschwindigkeitsunterschied wird derart gewählt, dass die Geschwindigkeit v2 der nachfolgenden Arbeitsmittel Beschichter und Klinge unabhängig von der Bewegungsrichtung in einem Bereich zwischen 10 % bis 90 % der Geschwindigkeit v1 der Druckeinheit liegt. Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, dass dieser Geschwindigkeitsunterschied in einem Bereich zwischen 30 % bis 80 % liegt. In einer speziellen Ausführung ist es vorgesehen, dass dieser Geschwindigkeitsunterschied bei 60 % liegt.
Vorgesehen ist es erfindungsgemäß auch, dass die zeitliche Verzögerung Delta t zwischen einem Start des Verfahrens der nachfolgenden Arbeitsmittel erster Beschichter und erste Klinge oder zweiter Beschichter und zweite Klinge zu einem Zeitpunkt t2 gegenüber einem Start des Verfahrens der Druckeinheit zu einem Zeitpunkt t1 in einem Bereich zwischen 0,05 s und 3,0 s, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,2 s und 2,0 s, weiter insbesondere bei einem Wert von 1 ,0 s, liegt.
Unabhängig von der Bewegungsrichtung der Arbeitsmittel über dem Baufeld ist es vorgesehen, dass die nachfolgenden Arbeitsmittel erster Beschichter und erste Klinge oder zweiter Beschichter und zweite Klinge mit einer Verzögerung von Delta t gegenüber der Druckeinheit in Bewegung gesetzt werden, wobei diese Verzögerung Delta t in einem Bereich zwischen 0,05 s und 3,0 s liegt. Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, dass diese Verzögerung Delta t in einem Bereich zwischen 0,2 s und 2,0 s liegt. In einer speziellen Ausführung hat die Verzögerung Delta t einen Wert von 1,0 s. Dies bedeutet, dass das Verfahren der nachfolgenden Arbeitsmittel zum Zeitpunkt t2 1 ,0 s nach dem Start des Verfahrens der Druckeinheit zum Zeitpunkt t1 beginnt. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Regelung einer Menge des durch den Beschichter ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials in Abhängigkeit der Geschwindigkeit v2 des Beschichters über dem Baufeld erfolgt, wobei die Regelung durch eine Veränderung einer Spaltbreite des Beschichters oder durch eine Veränderung einer Geschwindigkeit einer Rolle des Beschichters erfolgt, wobei die Menge des ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials mit zunehmender Geschwindigkeit v2 des Beschichters beim Verfahren über dem Baufeld zunimmt, wobei die Spaltbreite des Beschichters in einem Bereich zwischen 1 ,0 mm und 4,0 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 1 ,3 mm und 3,5 mm, regelbar ist.
Das partikelförmige Baumaterial wird vom ersten Beschichter in der ersten Bewegungsrichtung oder vom zweiten Beschichter in der zweiten Bewegungsrichtung während des Verfahrens des jeweiligen Beschichters mit der Geschwindigkeit v2 auf das Baufeld ausgetragen.
Aus dem Stand der Technik sind Beschichter bekannt, welche zur Bevorratung des partikelförmigen Baumaterials einen trichterförmigen Vorratsbehälter aufweisen. Dieser trichterförmige Vorratsbehälter ist längsersteckt über die Breite des Baufelds ausgebildet, wobei seine Länge ein Vielfaches seiner Breite aufweist.
Der Vorratsbehälter weist eine spaltförmige Öffnung beziehungsweise einen Auslass mit einer Spaltbreite auf, wobei an der spaltförmigen Öffnung ein Auslassmittel angeordnet ist. Durch eine entsprechende Ansteuerung dieses Auslassmittels wird es verhindert, dass partikelförmiges Baumaterial ungewollt auf das Baufeld gelangt oder partikelförmiges Baumaterial durch die spaltförmige Öffnung ausgegeben und auf das Baufeld aufgetragen wird, wobei der Beschichter gleichzeitig mit seinem Vorratsbehälter über dem Baufeld mit der Geschwindigkeit v2 verfahren wird. Das Verfahren des Beschichters kann sowohl in der ersten Bewegungsrichtung als auch in der zweiten Bewegungsrichtung erfolgen.
Zur Steuerung der Menge des ausgegebenen partikelförmigen Baumaterials wird das Auslassmittel entsprechend angesteuert, wobei es ebenfalls vorgesehen ist, die Spaltbreite zu verändern, um die Menge des vom Beschichter ausgegebenen partikelförmigen Baumaterials zu beeinflussen. Erfindungsgemäß vorgesehen ist es, dass die Spaltbreite des Beschichters in einem Bereich zwischen 1 ,0 mm und 4,0 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 1 ,3 mm und 3,5 mm, regelbar ist und somit weniger oder mehr partikelförmiges Baumaterial von Beschichter ausgegeben und auf das Baufeld aufgetragen wird.
Beispielsweise wird die Spaltbreite bei einer Geschwindigkeit v2 von 800 mm/s auf einen Wert von 3,5 mm und bei einer Geschwindigkeit v2 von 400 mm/s auf einen Wert von 1 ,8 mm eingestellt.
Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, welche zeigen:
Fig. 1 : eine beispielhafte Anordnung zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker nach dem Stand der Technik,
Fig. 2: eine beispielhafte Verteilung von Kräften, welche bei einer Bewegung eines Mittels zum Glätten über einem Baufeld auf den Untergrund einwirken,
Fig. 3: eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker in einer ersten Variante mit ihrer Funktionsweise in einer ersten Bewegungsrichtung,
Fig. 4: eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker in der ersten Variante mit ihrer Funktionsweise in einer zweiten Bewegungsrichtung und Fig. 5: eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker in einer zweiten Variante mit ihrer Funktionsweise nur in der ersten Bewegungsrichtung.
Die Figur 1 zeigt eine beispielhafte Anordnung 1 zur Herstellung einer 3D- Struktur in einem 3D-Drucker nach dem Stand der Technik. Eine derartige Anordnung 1 weist beispielsweise drei über einem Baufeld 2 verfahrbare Arbeitsmittel 3, 4, 5 auf. Diese Arbeitsmittel sind ein Mittel 3 zum selektiven Verfestigen eines partikelförmigen Baumaterials 6 wie eine Druckeinheit 3, ein Mittel 4 zum Auftra- gen des partikelförmigen Baumaterials 6 wie ein Beschichter 4 und ein Mittel 5 zum Glätten und Verdichten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials 6 wie eine Klinge 5. Die Arbeitsmittel 3, 4, 5 können durch andere gleichwirkende Mittel ersetzt werden, ohne den Kern der vorliegenden Erfindung zu beeinflussen.
Vorgesehen ist es, dass die Arbeitsmittel 3, 4, 5 in einer ersten Bewegungsrichtung 7 horizontal über dem Baufeld 2 verfahren werden, was in der Figur 1 mit Pfeilen an den Arbeitsmitteln 3, 4, 5 dargestellt ist.
In der Figur 1 ist die Druckeinheit 3 mit einigen Tropfen dargestellt, welche eine gezielte Abgabe feiner Tropfen eines von der Druckeinheit 3 abgegebenen Bindemittels darstellen. Das über Düsen der Druckeinheit 3 ausgestoßene Bindemittel wird auf eine unter der Druckeinheit 3 befindliche Schicht des partikelförmigen Baumaterials 6 aufgebracht und dient zur selektiven Verfestigung der festgelegten Bereiche des partikelförmigen Baumaterials 6, welche die zu erzeugende 3D- Struktur ausbilden.
Die Figur 1 zeigt den Beschichter 4 in einer Momentaufnahme, in welcher partikelförmiges Baumaterial 6 durch einen Auslass 8 aus einem Vorratsbehälter 9 austritt und als Austrag 10 zur Oberfläche des Baufeldes 2 gelangt, um dort eine neue Schicht aus partikelförmigem Baumaterial 6 mit einer festgelegten Schichtdicke 11 auszubilden.
Zur Ausbildung dieser Schicht aus partikelförmigem Baumaterial 6 mit der festgelegten Schichtdicke 11 wird nach dem Stand der Technik üblicherweise ein Mittel 5 zum Glätten der Schicht des vom Beschichter 4 aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials 6 wie eine Klinge eingesetzt, welche neben einer Funktion des Glättens auch ein Verdichten des partikelförmigen Baumaterials 6 übernimmt.
Der beispielhaft in der Figur 1 dargestellte Beschichter 4 weist zur Bevorratung des partikelförmigen Baumaterials 6 den trichterförmigen Vorratsbehälter 9 auf. Dieser trichterförmige Vorratsbehälter 9 ist längsersteckt über eine Breite des Baufelds 2 ausgebildet, wobei seine Länge ein Vielfaches seiner Breite aufweist.
Der Vorratsbehälter 9 weist eine spaltförmige Öffnung beziehungsweise den Auslass 8 auf. Am Auslass 8 ist ein in der Figur 1 nicht dargestelltes Auslassmittel angeordnet, mit welchem es verhindert wird, dass partikelförmiges Baumaterial 6 ungewollt auf das Baufeld 2 gelangt.
Ein Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials 6 auf das Baufeld 2 wird dadurch erreicht, dass das Auslassmittel derart angesteuert wird, dass das partikelförmige Baumaterial 6 im Bereich des Auslasses 8 freigegeben wird, wodurch das partikelförmige Baumaterial 6 über die spaltförmige Öffnung beziehungsweise den Auslass 8 aus dem Beschichter 4 ausgelassen wird. Dieses ausgelassene partikelförmige Baumaterial 6 bildet den Austrag 10, welcher zur Oberfläche des Baufeldes 2 gelangt.
Zeitgleich wird der Beschichter 4 in der mit einem Pfeil dargestellten ersten Bewegungsrichtung 7 über das Baufeld 2 bewegt und eine neue Schicht des partikelförmigen Baumaterials 6 auf dem Baufeld 2 aufgetragen.
Dieses auf das Baufeld 2 aufgetragene partikelförmige Baumaterial 2 wird nachfolgend durch die Klinge 5 geglättet oder geglättet und verfestigt. Hierfür wird auch die Klinge 5 in der mit dem Pfeil dargestellten ersten Bewegungsrichtung 7 über dem Baufeld 2 verfahren und folgt derart dem Beschichter 4. Da der Beschichter 4 und die Klinge 5 nach dem Stand der Technik in einer gemeinsamen übergeordneten Einheit angeordnet sind, mit welcher die Arbeitsmittel 4 und 5 gemeinsam über dem Baufeld 2 verfahren werden, bewegen sich die Arbeitsmittel 4 und 5 mit gleicher Geschwindigkeit und mit einem konstruktiv vorgegebenen Abstand zueinander über dem Baufeld 2.
Zur Steuerung der Menge des vom Beschichter 4 ausgelassenen partikelförmigen Baumaterials 6 wird das Auslassmittel entsprechend angesteuert, wobei infolgedessen beispielsweise mehr partikelförmiges Baumaterial 6 durch den Auslass 10 austreten kann und die Menge des auf das Baufeld 2 aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials 6 zunimmt.
Alternativ kann die Menge des auf das Baufeld 2 aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials 6 dadurch gesteuert werden, dass eine Spaltbreite der spaltförmigen Öffnung am Auslass 8 verändert wird. Da sicherheitshalber mehr partikelförmiges Baumaterial 6 auf die Oberfläche des Baufeldes 2 aufgetragen wird als zur Ausbildung der Schicht aus partikelförmigem Baumaterial 6 mit der Schichtdicke 11 benötigt wird, bildet sich eine Ansammlung 12 vor der Klinge 5 aus.
Die sich vor der Klinge 5 ausbildende Ansammlung 12 aus überschüssigem partikelförmigen Baumaterial 6 ist in der Figur 1 zum besseren Verständnis mittels einer Strich-Strich-Linie umrandet dargestellt.
Die Figur 1 zeigt eine Darstellung einer Seitenansicht der Ansammlung 12 des partikelförmigen Baumaterials 2 auf dem Baufeld 3 vor der Klinge 5, wobei die Ansammlung 12 eine Tiefe T 13, eine Breite B und eine Höhe H 14 aufweist. Die in der Figur 1 nicht gezeigte Breite B der Ansammlung 12 erstreckt sich sozusagen in eine Tiefe der Darstellung der Figur 1.
Für den Fall, dass Anforderungen an eine Genauigkeit der zu erzeugenden 3D- Struktur gestellt werden, wobei Abweichungen bei der Herstellung der 3D-Struktur kleiner als ± 0,5 mm, insbesondere kleiner als ± 0,3 mm, betragen sollen, ist es notwendig, darauf zu achten, dass die Ansammlung 12 in ihren Abmessungen beziehungsweise ihrem Volumen bestimmte Werte nicht überschreitet. Der Grund hierfür liegt darin, dass von der Ansammlung 12 Kräfte ausgehen, welche auf einen Untergrund wirken und die Genauigkeit der zu fertigenden 3D-Struktur negativ beeinflussen, wie es nachfolgend noch genauer erläutert wird.
Die Figur 2 zeigt eine beispielhafte Verteilung von Kräften, welche bei einer Bewegung des Mittels 5 zum Glätten wie der Klinge 5 über dem Baufeld 2 auf den Untergrund einwirken.
Dargestellt ist die Klinge 5, welche über die Oberfläche des Baufeldes 2 horizontal in der durch den Pfeil gezeigten ersten Bewegungsrichtung 7 verfahren wird. Vor der Klinge 5 bildet sich die Ansammlung 12 bedingt durch das zu viel aufgetragene partikelförmige Baumaterial 6 aus. Die Ausrichtung der Klinge 5 kann von einer Lotsenkrechten abweichen, wie es in der Figur 2 beispielhaft dargestellt ist. Bedingt durch die Bewegung der Klinge 5 in der ersten Bewegungsrichtung 7 und ein Eigengewicht des in der Ansammlung 12 befindlichen ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials 2 kommt es zur Entstehung von Kräften.
Derartige Kräfte weisen allgemein eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente auf. Die horizontale Komponente, welche als Kraft FH bezeichnet wird, wirkt parallel zur Oberfläche des Baufelds 2, insbesondere in einem Bereich der letzten aufgetragenen Schicht des partikelförmigen Baumaterials 6. Die Kraft FH wird durch eine horizontale Bewegung der Klinge 5 beim Glätten verursacht.
In der Figur 2 sind die hier erläuterten Kräfte beispielhaft an einem Angriffspunkt 15 eingezeichnet, welcher im Bereich der Oberfläche der im aktuellen Arbeitsgang beziehungsweise Beschichtungsvorgang zu erzeugenden Schicht des partikelförmigen Baumaterials 6 liegt.
Die vertikale Komponente, welche als Kraft Fv bezeichnet wird, wirkt lotsenkrecht zur Oberfläche des Baufeldes 2 beziehungsweise lotsenkrecht zu der letzten aufgetragenen Schicht des partikelförmigen Baumaterials 2. Die Kraft Fv wird durch eine Gewichtskraft des partikelförmigen Baumaterials 2, insbesondere des in der Ansammlung 12 befindlichen partikelförmigen Baumaterials 6, verursacht. In der Praxis kommt es zu einer Überlagerung der Kräfte FH und Fv und zur Entstehung einer resultierenden Kraft FR. Diese resultierende Kraft FR ist in einem Winkel zwischen 0° und 90° zur Oberfläche des Baufelds 2 beziehungsweise einer nicht in der Figur 2 dargestellten Lotsenkrechten gerichtet. Die Richtung der Kraft FR wird durch die Anteile der Kräfte FH und Fv bestimmt und ist an verschiedenen Stellen der Ansammlung 12, insbesondere entlang der Breite der Ansammlung 12, verschieden. Ebenso kann der Betrag der resultierenden Kraft FR an verschiedenen Stellen unterschiedlich groß sein.
In der Figur 2 ist die resultierende Kraft FR mittels eines Pfeils beispielhaft in einem Winkel von etwa 30° zur Oberfläche des Baufelds 2 dargestellt. Praktisch weicht dieser Winkel natürlich in den meisten Fällen vom dargestellten Winkel ab.
Durch diese auf den Untergrund einwirkenden resultierenden Kräfte FR kann es zu beispielsweise horizontalen Verschiebungen in einer oder mehreren Schichten des bereits aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials 6 kommen, welche auch teilweise selektiv verfestigt sein können. Hierdurch kommt es zu Ungenauigkeiten bezüglich der Abmessungen der zu erzeugenden 3D-Struktur und zu einer Verschlechterung einer Qualität der erzeugten 3D-Strukturen.
Allgemein führen unzulässig hohe Kräfte beispielsweise zu einem ungleichförmigen Absacken oder Verdichten einzelner Bereiche in einer Schicht oder in mehreren Schichten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials 6.
Alternativ können unzulässig hohe Kräfte eine Dichte von Teilbereichen einer oder mehrerer darunterliegender Schichten beeinflussen. Neben einer Beeinflussung des partikelförmigen Baumaterials 6 kann es auch zu einer Beeinflussung von bereits verfestigten Bereichen kommen, welche die 3D-Struktur ausbilden. Eine derartige Beeinflussung führt beispielsweise durch ein Komprimieren oder Verschieben eines derartigen bereits verfestigten Bereichs zu Abweichungen in der Maßgenauigkeit der zu erzeugenden 3D-Struktur.
Zur Vermeidung derartiger Beeinflussungen auf die zu erzeugende 3D-Struktur und zur Gewährleistung der gleichbleibenden Qualität beim Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials 6 werden üblicherweise die Menge beziehungsweise das Volumen oder die Abmessungen der Ansammlung 12 gesteuert beziehungsweise geregelt. Die Praxis zeigt allerdings, dass der Erfolg derartiger Steuerungen beziehungsweise Regelungen der Menge beziehungsweise des Volumens oder der Abmessungen der Ansammlung 12 die Beeinflussungen bei der Erzeugung der 3D-Struktur nur unzureichend reduzieren. Dies liegt insbesondere daran, dass die resultierende Kraft FR auf Bereiche einwirken kann, in welchen das Bindemittel selektiv aufgetragen wurde, welches aber noch nicht aushärten konnte.
Die Figur 3 zeigt eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung 1 zur Herstellung der 3D-Struktur im 3D-Drucker in einer ersten Variante mit ihrer Funktionsweise in der ersten Bewegungsrichtung 7.
Über dem Baufeld 2 sind als Arbeitsmittel des 3D-Druckers die Druckeinheit 3, ein erster Beschichter 4a und eine erste Klinge 5a dargestellt. Der erste Beschichter 4a und die erste Klinge 5a befinden sich rechts von der Druckeinheit 3 in der Darstellung der Figur 3. Weiterhin sind als Arbeitsmittel des 3D-Druckers links von der Druckeinheit 3 ein zweiter Beschichter 4b und eine zweite Klinge 5b dargestellt. Die Funktionen beziehungsweise Funktionsweisen der Arbeitsmittel 3, 4a, 4b, 5a, 5b sind identisch mit den weiter oben beschriebenen Arbeitsmitteln 3, 4, 5 und werden daher nicht mehr im Einzelnen erläutert.
Die Anordnung von zwei Beschichtern 4a und 4b sowie zwei Klingen 5a und 5b ermöglicht sowohl die Herstellung der 3D-Struktur in der ersten Bewegungsrichtung 7, wie es zur Figur 3 nachfolgend erläutert wird, als auch die Herstellung der 3D-Struktur in einer zweiten Bewegungsrichtung 16, wie es später zur Figur 4 erläutert wird. Die Herstellung der 3D-Struktur in der ersten Bewegungsrichtung 7 und in der der ersten Bewegungsrichtung 7 entgegengesetzten zweiten Bewegungsrichtung 16 wird auch als bidirektionaler Betrieb bei der Herstellung der 3D- Struktur bezeichnet. Somit kann bei jeder Überfahrt der Arbeitsmittel 3, 4a, 4b, 5a, 5b mittels des Bindemittels selektiv verfestigt sowie partikelförmiges Baumaterial 6 aufgetragen, geglättet und verfestigt werden. Der bidirektionale Betrieb verbessert eine Effektivität und eine Druckgeschwindigkeit bei der Erzeugung der 3D-Struktur im 3D-Drucker.
Erfindungsgemäß weisen alle Arbeitsmittel 3, 4a, 4b, 5a, 5b jeweils einen eigenen Antrieb 17 auf. Diese Antriebe 17 ermöglichen es, dass die Arbeitsmittel, 4a, 4b, 5a, 5b unabhängig voneinander in der ersten Bewegungsrichtung 7 oder in der zweiten Bewegungsrichtung 16 und mit unterschiedlichen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten horizontal über dem Baufeld 2 verfahren werden können. Hierbei werden die Antriebe 17 von einer zentralen Steuerung des 3D-Druckers entsprechend angesteuert.
Im Beispiel der Figur 3 findet das selektive Verfestigen, Aufträgen, Glätten und Verdichten in der ersten Bewegungsrichtung 7 von rechts nach links statt. Hierbei sind die Arbeitsmittel 3, 4a und 5a aktiv beteiligt, während die Arbeitsmittel 4b und 5b passiv bleiben und keinen Beitrag zur Erzeugung der 3D-Struktur leisten. Die Arbeitsmittel 4b und 5b werden beispielsweise mit einer Geschwindigkeit v1 in der ersten Bewegungsrichtung 7 verfahren, mit welcher auch die Druckeinheit 3 in der ersten Bewegungsrichtung 7 verfahren wird. Alternativ können die Arbeitsmittel 4b und 5b mit einer Geschwindigkeit größer als v1 verfahren werden. Die Druckeinheit 3 wird im Beispiel der Figur 3 in der ersten Bewegungsrichtung 7 mit der Geschwindigkeit v1 verfahren und trägt Bindemittel zum selektiven Verfestigen vorbestimmter Bereiche auf die Oberfläche einer aktuellen Schicht 18 auf, wobei diese selektiv verfestigten Bereiche zur Ausbildung der herzustellende 3D- Struktur bestimmt sind.
Im Beispiel der Figur 3 wird weiterhin auch der erste Beschichter 4a und die erste Klinge 5a in der ersten Bewegungsrichtung 7 der Druckeinheit 3 nachfolgend verfahren. Die Arbeitsmittel 4a und 5a werden beispielsweise mit einer Geschwindigkeit v2 horizontal über dem Baufeld 2 von rechts nach links verfahren.
Bei dieser Verfahrbewegung trägt der Beschichter 4a über seinen Auslass 8 eine weitere Schicht des partikelförmigen Baumaterials 6 auf und die Klinge 5a glättet und verdichtet dieses vom Beschichter 4a aufgetragene partikelförmige Baumaterial 6, wodurch eine nachfolgende Schicht 19 entsteht.
Um eine Zeitspanne zwischen dem Aufbringen des Bindemittels durch die Druckeinheit 3 und dem Aufträgen der nachfolgenden Schicht 19 des partikelförmigen Baumaterials 6 zu vergrößern, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Arbeitsmittel 3 sowie 4a und 5a mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten verfahren werden.
Erfindungsgemäß wird die Geschwindigkeit v1 zumindest zeitweise größer als die Geschwindigkeit v2 gewählt, so dass zwischen den Arbeitsmitteln 3 sowie 4a und 5a ein Abstand 20 entsteht.
Die Geschwindigkeiten v1 und v2 sind in der Figur 3 mittels weiterer Pfeile dargestellt, wobei der Pfeil die Richtung der Geschwindigkeit und die Länge des Pfeils einen Wert für die Geschwindigkeit v1 und v2 veranschaulicht.
Je größer dieser Abstand 20 wird, umso größer wird eine Verweilzeit. Diese Verweilzeit ist eine Zeitspanne zwischen dem Beginn des selektiven Verfestigens des partikelförmigen Baumaterials 6 durch das von der Druckeinheit 3 auf das partikelförmige Baumaterial 6 aufgebrachte Bindemittel und einem weiteren Auftrag des partikelförmigen Baumaterials 6 auf diesen sich verfestigenden Bereich in der nachfolgenden Schicht 19. Wird diese Verweilzeit, welche mit dem Abstand 20 korrespondiert, entsprechend groß gewählt, härtet das partikelförmige Baumaterial 6 in den selektiv verfestigten Bereichen besser aus und wird resistenter für die nachfolgend einwirkenden Kräfte FH, Fv und FR.
Hierbei ist es vorgesehen, dass die erste Geschwindigkeit v1 der Druckeinheit 3 zumindest für eine festgelegte Zeitdauer größer als die zweite Geschwindigkeit v2 der Arbeitsmittel 4a und 5a ist, bis der vorgegebene Abstand 20 erreicht wird. Ist dieser vorgegebene Abstand 20 erreicht und somit eine gewünschte Verweildauer, werden die Arbeitsmittel 4a und 5a mit einer Geschwindigkeit größer als v2, beispielsweise ebenfalls mit der ersten Geschwindigkeit v1 , verfahren, bis alle aktiven Arbeitsmittel 3, 4a, 5a das Ende des Baufeldes 2 erreicht haben.
Eine Alternative zum Erreichen des vorgegebenen Abstandes 20 und somit der gewünschten Verweildauer besteht darin, dass zu einem Zeitpunkt t1 das Verfahren der Druckeinheit 3 über dem Baufeld 2 in der ersten Bewegungsrichtung 7 mit der ersten Geschwindigkeit v1 gestartet wird, während sich die Arbeitsmittel 4a und 5a noch nicht bewegen beziehungsweise stillstehen. Derart vergrößert sich der Abstand 20 zwischen der Druckeinheit 3 und den Baugruppen 4a und 5a.
Nach einem Erreichen des vorgegebenen Abstandes 20 oder einem Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer Delta t startet das Verfahren der Arbeitsmittel 4a und 5a in der ersten Bewegungsrichtung 7 vorzugsweise mit der ersten Geschwindigkeit v1 . Nun werden die Arbeitsmittel 3, 4a und 5a jeweils mit der ersten Geschwindigkeit v1 verfahren, wobei der Abstand 20 zwischen der Druckeinheit 3 und den Arbeitsmitteln 4a und 5a gleichbleibt. Dieser Vorgang endet ebenfalls mit dem Erreichen des Endes des Baufeldes 2.
Die Figur 4 zeigt eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung 1 zur Herstellung der 3D-Struktur im 3D-Drucker in der ersten Variante mit ihrer Funktionsweise in der zweiten Bewegungsrichtung 16.
Über dem Baufeld 2 sind als Arbeitsmittel des 3D-Druckers die Druckeinheit 3, der erste Beschichter 4a, der zweite Beschichter 4b, die erste Klinge 5a und die zweite Klinge 5b dargestellt. Die Anordnung von zwei Beschichtern 4a und 4b sowie zwei Klingen 5a und 5b ermöglicht, wie bereits ausgeführt, sowohl die Herstellung der 3D-Struktur in der ersten Bewegungsrichtung 7 als auch die Herstellung der 3D-Struktur in der zweiten Bewegungsrichtung 16, wie es hier zur Figur 4 erläutert wird.
Die Herstellung der 3D-Struktur ist auch im Beispiel der Figur 4 im bidirektionalen Betrieb vorgesehen, wobei bei jeder Überfahrt der Arbeitsmittel 3, 4a, 4b, 5a, 5b mittels des Bindemittels selektiv verfestigt sowie partikelförmiges Baumaterial 6 aufgetragen, geglättet und verfestigt wird.
Auch im Beispiel der Figur 4 weisen alle Arbeitsmittel 3, 4a, 4b, 5a, 5b jeweils den eigenen Antrieb 17 auf, so dass die Arbeitsmittel 3, 4a, 4b, 5a, 5b unabhängig voneinander in der ersten Bewegungsrichtung 7 oder in der zweiten Bewegungsrichtung 16 und mit unterschiedlichen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten horizontal über dem Baufeld 2 verfahren werden können.
Im Beispiel der Figur 4 findet das selektive Verfestigen, Aufträgen, Glätten und Verdichten in der zweiten Bewegungsrichtung 16 von links nach rechts statt. Hierbei sind die Arbeitsmittel 3, 4b und 5b aktiv beteiligt, während die Arbeitsmittel 4a und 5a passiv bleiben und keinen Beitrag zur Erzeugung der 3D-Struktur leisten. Die Arbeitsmittel 4a und 5a werden beispielsweise mit der Geschwindigkeit v1 in der zweiten Bewegungsrichtung 16 verfahren, mit welcher auch die Druckeinheit 3 in der zweiten Bewegungsrichtung 16 verfahren wird. Alternativ können die Arbeitsmittel 4a und 5a mit einer Geschwindigkeit größer als v1 verfahren werden.
Die Druckeinheit 3 wird im Beispiel der Figur 4 in der zweiten Bewegungsrichtung 16 mit der Geschwindigkeit v1 verfahren und trägt Bindemittel zum selektiven Verfestigen vorbestimmter Bereiche auf die Oberfläche der aktuellen Schicht 18 auf, wobei diese selektiv verfestigten Bereiche zur Ausbildung der herzustellende 3D-Struktur bestimmt sind.
Im Beispiel der Figur 4 wird weiterhin auch der zweite Beschichter 4b und die zweite Klinge 5b in der zweiten Bewegungsrichtung 16 wiederum der Druckeinheit 3 nachfolgend verfahren. Die Arbeitsmittel 4b und 5b werden beispielsweise mit der Geschwindigkeit v2 horizontal über dem Baufeld 2 von links nach rechts verfahren.
Bei dieser Verfahrbewegung trägt der Beschichter 4b eine weitere Schicht des partikelförmigen Baumaterials 6 auf und die Klinge 5b glättet und verdichtet dieses vom Beschichter 4b aufgetragene partikelförmige Baumaterial 6, wodurch die nachfolgende Schicht 19 entsteht.
Auch in der Funktionsweise in der zweiten Bewegungsrichtung 16 wird die Geschwindigkeit v1 zumindest zeitweise größer als die Geschwindigkeit v2 gewählt, so dass zwischen den Arbeitsmitteln 3 sowie 4b und 5b der Abstand 20 entsteht.
Die Geschwindigkeiten v1 und v2 sind auch in der Figur 4 mittels weiterer Pfeile dargestellt, wobei der Pfeil die Richtung der Geschwindigkeit und die Länge des Pfeils einen Wert für die Geschwindigkeit v1 und v2 veranschaulicht.
Vorgesehen ist es, dass die erste Geschwindigkeit v1 der Druckeinheit 3 zumindest für eine festgelegte Zeitdauer größer als die zweite Geschwindigkeit v2 der Arbeitsmittel 4b und 5b ist, bis der vorgegebene Abstand 20 erreicht wird. Ist dieser vorgegebene Abstand 20 erreicht und somit die gewünschte Verweildauer, werden die Arbeitsmittel 4b und 5b mit einer Geschwindigkeit größer als v2, beispielsweise ebenfalls mit der ersten Geschwindigkeit v1 , verfahren, bis alle aktiven Arbeitsmittel 3, 4b, 5b das Ende des Baufeldes 2 erreicht haben.
Eine Alternative zum Erreichen des vorgegebenen Abstandes 20 und somit der gewünschten Verweildauer besteht auch in diesem Beispiel darin, dass zu einem Zeitpunkt t1 das Verfahren der Druckeinheit 3 über dem Baufeld 2 in der ersten Bewegungsrichtung 7 mit der ersten Geschwindigkeit v1 gestartet wird, während sich die Arbeitsmittel 4b und 5b noch nicht bewegen beziehungsweise stillstehen. Derart vergrößert sich der Abstand 20 zwischen der Druckeinheit 3 und den Baugruppen 4b und 5b.
Nach dem Erreichen des vorgegebenen Abstandes 20 oder dem Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer Delta t startet das Verfahren der Arbeitsmittel 4b und 5b in der zweiten Bewegungsrichtung 16 vorzugsweise mit der ersten Geschwindigkeit v1 . Nun werden die Arbeitsmittel 3, 4b und 5b jeweils mit der ersten Ge- schwindigkeit v1 verfahren, wobei der Abstand 20 zwischen der Druckeinheit 3 und den Arbeitsmitteln 4b und 5b gleich bleibt. Dieser Vorgang endet ebenfalls mit dem Erreichen des Endes des Baufeldes 2.
Die Figur 5 zeigt eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung 1 zur Herstellung der 3D-Struktur im 3D-Drucker in einer zweiten Variante mit ihrer Funktionsweise nur in der ersten Bewegungsrichtung 7.
Über dem Baufeld 2 sind nur die Arbeitsmittel des 3D-Druckers Druckeinheit 3, erster Beschichter 4a und erste Klinge 5a mit ihren jeweiligen Antrieben 17 dargestellt.
In dieser Ausführung der Anordnung 1 ist das Aufträgen, Glätten und selektive Verdichten des partikelförmigen Baumaterials 6 nur in einer Bewegungsrichtung, von rechts nach links, also in der ersten Bewegungsrichtung 7, möglich, was auch als unidirektionaler Betrieb bezeichnet wird.
Im Beispiel der Figur 5 findet das selektive Verfestigen, Aufträgen, Glätten und Verdichten in der ersten Bewegungsrichtung 7 von rechts nach links statt. Hierzu wird auf die bereits zur Figur 3 erläuterten Funktionen, Abläufe und genutzten Geschwindigkeiten verwiesen, da diese im Beispiel der Figur 5 mit dem Verfahren der Arbeitsmittel 3, 4a, 5a in der Figur 3 identisch sind.
Nachdem die Arbeitsmittel 3, 4a, 5a im Beispiel der Figur 5 nach dem Verfahren in der ersten Bewegungsrichtung 7 den linken Rand des Baufeldes 3 erreicht haben, werden die Arbeitsmittel 3, 4a, 5a in der zweite Bewegungsrichtung 16 zum rechten Rand des Baufeldes 2 zurückgefahren. Bei diesem Zurückfahren an den rechten Rand in eine sogenannte Grundposition finden die Abläufe selektives Verfestigen, Aufträgen, Glätten und Verdichten nicht statt. Nach dem Erreichen dieser Grundposition kann die Herstellung der 3D-Struktur durch ein erneutes Verfahren der Arbeitsmittel 3, 4a, 5a in der ersten Bewegungsrichtung 7 mit dem selektiven Verfestigen, Aufträgen, Glätten und Verdichten fortgesetzt werden.
Das Zurückfahren der Arbeitsmittel 3, 4a, 5a in der zweiten Bewegungsrichtung 16 kann mit der ersten Geschwindigkeit v1 oder in einer Geschwindigkeit erfolgen, welche größer als die erste Geschwindigkeit v1 ist. Liste der Bezugszeichen
1 Anordnung zur Herstellung einer 3D-Struktur
2 Baufeld
3 Mittel zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials / Druckeinheit
4, 4a, 4b Mittel zum Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials / Beschichter
5, 5a, 5b Mittel zum Glätten und Verdichten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials / Klinge
6 partikelförmiges Baumaterial
7 erste Bewegungsrichtung
8 Auslass
9 Vorratsbehälter
10 Austrag
11 Schichtdicke
12 Ansammlung
13 Tiefe T
14 Höhe H
15 Angriffspunkt
16 zweite Bewegungsrichtung
17 Antrieb
18 Oberfläche der aktuellen Schicht
19 nachfolgende Schicht
20 Abstand

Claims

Patentansprüche
1 . Anordnung (1) zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker, welche über einem Baufeld (2) verfahrbare Arbeitsmittel (3, 4, 5) aufweist, wobei die Arbeitsmittel (3, 4, 5) ein Mittel (4) zum Aufträgen eines partikelförmigen Baumaterials (6) auf das Baufeld (2), ein Mittel (5) zum Glätten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials (6) und ein Mittel (3) zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials (6) sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Arbeitsmittel (3, 4, 5) einen separat steuerbaren oder regelbaren Antrieb (17) aufweist, mit welchem das Arbeitsmittel (3, 4, 5) in einer ersten Bewegungsrichtung (7) oder in einer zweiten Bewegungsrichtung (16) unabhängig von anderen Arbeitsmitteln (3, 4, 5) und mit einer zumindest zeitweise gleichbleibenden oder sich zumindest zeitweise verändernden Geschwindigkeit über dem Baufeld (2) verfahren wird.
2. Anordnung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass über dem Baufeld (2) ein erstes Mittel (4a) zum Aufträgen eines partikelförmigen Baumaterials (6), ein erstes Mittel (5a) zum Glätten und Verdichten des vom ersten Mittel (4a) auf das Baufeld (3) aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials (6), ein Mittel (3) zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials (6) sowie ein zweites Mittel (4b) zum Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials (6) und ein zweites Mittel (5b) zum Glätten und Verdichten des vom zweiten Mittel (4b) auf das Baufeld (2) aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials (6) jeweils mit dem eigenen separat steuerbaren oder regelbaren Antrieb (17) versehen angeordnet sind.
3. Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (4a, 4b) zum Aufträgen eines partikelförmigen Baumaterials (6) Beschichter, die Mittel (5a, 5b) zum Glätten und Verdichten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials (6) Klingen und das Mittel (3) zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials (6) eine Druckeinheit sind.
4. Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der separat steuerbare oder regelbare Antrieb (17) in jedem Arbeitsmittel (3, 4, 5) ein elektrischer Linearantrieb, ein elektromechanischer Linearantrieb, ein elektromagnetischer Antrieb, ein Kugel- oder Rollengewindeantrieb, ein Zahnstangenantrieb oder ein Gewindespindelantrieb ist.
5. Verfahren zur Herstellung einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker, wobei partikelförmiges Baumaterial (6) schichtweise auf einem Baufeld (2) des 3D- Druckers aufgetragen und selektiv verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Baufeld (2) separat verfahrbare Arbeitsmittel (3, 4a, 4b, 5a, 5b) bereitgestellt werden, wobei die Arbeitsmittel (3, 4a, 4b, 5a, 5b) mindestens ein Mittel (4a, 4b) zum Aufträgen eines partikelförmigen Baumaterials (6) wie ein Beschichter, mindestens ein Mittel (5a, 5b) zum Glätten des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials (6) wie eine Klinge und ein Mittel (3) zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials (6) wie eine Druckeinheit sind, wobei die Arbeitsmittel (3, 4a, 4b, 5a, 5b) derart separat steuerbar oder regelbar sind, dass diese unabhängig voneinander in einer ersten Bewegungsrichtung (7) oder in einer zweiten Bewegungsrichtung (16) über dem Baufeld (2) verfahren werden, wobei die Arbeitsmittel (3, 4a, 4b, 5a, 5b) zumindest zeitweise mit einem konstanten, festgelegten Abstand (20) zueinander oder zumindest zeitweise mit einem sich verändernden Abstand (20) zueinander verfahren werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmittel (4a, 5a) in der ersten Bewegungsrichtung (7) oder die Arbeitsmittel (4b, 5b) in der zweiten Bewegungsrichtung (16) mit einem zum Mittel (3) gleichem oder sich vergrößernden Abstand (20) über dem Baufeld (2) verfahren werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren der Arbeitsmittel (4a, 5a) in der ersten Bewegungsrichtung (7) oder das Verfahren der Arbeitsmittel (4b, 5b) in der zweiten Bewegungsrichtung (16) mit einer zeitlichen Verzögerung Delta t zum Start des Verfahrens des Mittels (3) beginnt.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmittel (4a, 5a) in der ersten Bewegungsrichtung (7) oder die Arbeitsmittel (4b, 5b) in der zweiten Bewegungsrichtung (16) für eine erste festgelegte Zeitdauer mit einer gegenüber dem Mittel (3) geringeren Geschwindigkeit und nachfolgend für eine zweite festgelegte Zeitdauer mit einer gegenüber dem Mittel (3) gleichen Geschwindigkeit über dem Baufeld (2) verfahren werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Arbeitsmittel (4a, 5a) in der ersten Bewegungsrichtung (7) oder der Arbeitsmittel (4b, 5b) in der zweiten Bewegungsrichtung (16) für den Fall, dass die Arbeitsmittel (4a, 5a) oder die Arbeitsmittel (4b, 5b) mit einem sich verändernden Abstand (20) zum Mittel (3) verfahren werden, in einem Bereich zwischen 10 % bis 90 %, insbesondere in einem Bereich zwischen 30 % bis 80 %, weiter insbesondere bei 60 %, der Geschwindigkeit des Mittels (3) liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Verzögerung Delta t zwischen einem Start des Verfahrens der nachfolgenden Arbeitsmittel (4a, 5a, 4b, 5b) zu einem Zeitpunkt t2 gegenüber einem Start des Verfahrens des Mittels (3) zu einem Zeitpunkt t1 in einem Bereich zwischen 0,05 s und 3,0 s, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,2 s und 2,0 s, weiter insbesondere bei einem Wert von 1 ,0 s, liegt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung einer Menge des durch die Mittel (4a, 4b) ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials (6) in Abhängigkeit der Geschwindigkeit v2 des Mittels (4a, 4b) über dem Baufeld (2) erfolgt, wobei die Regelung durch eine Veränderung einer Spaltbreite des Mittels (4a, 4b) oder durch eine Veränderung einer Geschwindigkeit einer Rolle des Mittels (4a, 4b) erfolgt, wobei die Menge des ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials (6) mit zunehmender Geschwindigkeit v2 des Mittels (4a, 4b) beim Verfahren über dem Baufeld (2) zunimmt, wobei die Spaltbreite des Mittels (4a, 4b) in einem Bereich zwischen 1 ,0 mm und 4,0 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 1 ,3 mm und 3,5 mm, geregelt wird.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE10117875C1 (de) 2001-04-10 2003-01-30 Generis Gmbh Verfahren, Vorrichtung zum Auftragen von Fluiden sowie Verwendung einer solchen Vorrichtung
US20190168443A1 (en) * 2016-08-05 2019-06-06 Progress Maschinen & Automation Ag Device for producing at least one three-dimensional laminate for the construction industry
DE102018003336A1 (de) 2018-04-25 2019-10-31 Laempe Mössner Sinto Gmbh Anordnung und Verfahren zum Auftragen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker
DE102019007480A1 (de) 2019-10-26 2021-04-29 Laempe Mössner Sinto Gmbh Anordnung und Verfahren zum Erzeugen einer Schicht eines partikelförmigen Baumaterials in einem 3D-Drucker

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