DE102021213860A1

DE102021213860A1 - Vorrichtung für eine Herstellungsvorrichtung zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen

Info

Publication number: DE102021213860A1
Application number: DE102021213860.8A
Authority: DE
Inventors: Tom Eggers; Sven Crull
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2023-06-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Herstellungsvorrichtung zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen sowie eine Herstellungsvorrichtung mit einer solchen Vorrichtung.Es ist vorgesehen, dass eine Vorrichtung 10 für eine Herstellungsvorrichtung 12 zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen 14 bereitgestellt wird. Solch eine Vorrichtung 10 ist eine Anordnung von einer Grundplatte 38, einer Antriebseinheit und von einem auf die Grundplatte 38 angeordnetem System 20. Das System 20 umfasst dabei eine Vielzahl von Bauraumbegrenzungselementen 22. Dabei ist die Vielzahl von Bauraumbegrenzungselementen 22 individuell mittels der Antriebseinheit verstellbar, sodass ein Bauraum 18 der Herstellungsvorrichtung 12 mittels des Systems 20 flexibel anpassbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Herstellungsvorrichtung zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen sowie eine Herstellungsvorrichtung mit einer solchen Vorrichtung.
Derzeit weisen pulverbasierte additive Fertigungsverfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen eine konstante Bauraumgröße auf. Dabei liegt häufig unabhängig von einer Packungsdichte und der Bauteilgeometrie ein konstanter Bauraum mit festen Abmessungen vor. Als nachteilig kann dabei angesehen werden, dass insbesondere bei komplex geformten Bauteilstrukturen und bei einer geringen Packungsdichte eine erhöhte Menge an Pulverwerkstoff als umliegendes Stützelement verwendet werden muss beziehungsweise ebendies Pulver ansonsten als ungenutzt vorliegt. Dies führt dazu, dass ein erhöhter Pulververbrauch vorliegt.
Da das umliegende, ungenutzte Pulver, welches nicht für die Herstellung der Bauteile benötigt wird, kostenintensiv ist und durch den Druckvorgang thermisch und/oder chemisch belastet wird, sinkt die Wiederverwendungsrate des Pulvers. Das ungenutzte Pulver muss nach dem Druckvorgang aufwendig abgesaugt, gereinigt, gesiebt und wiederaufbereitet werden, sodass es tolerierbare Eigenschaften aufweist. Entfallen diese Prozessschritte, so ist das Pulver nicht wiederzuverwerten und muss entsorgt werden. Dies führt zu einem erhöhten Kostentreiber und einer geringen Materialeffizienz in der pulverbasierten additiven Fertigung.
Bereits vorhandene Verbesserungsmaßnahmen sehen vor, die Packungsdichte der Bauteile im Bauraum mittels geeigneter Softwareprogramme zu steigern, um somit bei jedem Druckvorgang den Bauraum möglichst vollumfänglich zu nutzen. Ebenso wird versucht, die Höhe des Baujobs zu reduzieren.
Allerdings wird bei diesen Lösungen lediglich die Packungsdichte im Bauraum durch eine Ordnung der zu fertigenden Bauteile versucht zu steigern. Hierbei bleiben die Dimensionen des Bauraums stets dieselben. Insbesondere die Fertigung von Kleinserien oder Einzelteilen wird dadurch nicht effizienter gestaltet, da sich die Dimensionen des Bauraums nicht verändern lassen. Ebenso werden die Ecken des Bauraums, insbesondere wenn geschwungene oder runde Bauteilstrukturen hervorgebracht werden sollen, nicht ausgefüllt.
Nachfolgend werden Beispiele aus dem Stand der Technik vorgestellt, welche sich im weitesten Sinne mit der zuvor erläuterten Problematik beschäftigen.
So ist aus der Druckschrift DE 10 2016 201 369 A1 eine Vorrichtung, eine Anlage und ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils als bekannt zu entnehmen. Insbesondere wird dabei eine Vorrichtung für eine Anlage zur additiven Herstellung eines Bauteils offenbart, welche eine Mehrzahl von Plattformsegmenten aufweist, wobei jedes der Plattformsegmente ausgelegt ist, eine Herstellungsoberfläche für die additive Herstellung des Bauteils zu bilden und wobei mindestens ein Plattformsegment mittels einer Absenkeinrichtung relativ zu mindestens einem weiteren Plattformsegment absenkbar ausgebildet ist.
Aus der Druckschrift US 10,632,732 B2 sind zudem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Objekte unter Verwendung einer dynamisch einstellbaren Rückhaltebarriere als bekannt zu entnehmen. Dabei werden insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen dreidimensionaler Objekte aus einem bindbaren Pulver gezeigt und beschrieben. Es wird eine dynamisch aufgerichtete und/oder ausgedehnte Rückhaltebarriere bereitgestellt, die während eines Objektbauvorgangs aufgerichtet und/oder ausgedehnt wird, um abgegebenes Pulver zurückzuhalten.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für eine Herstellungsvorrichtung zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen hervorzubringen, welche die zuvor genannten Nachteile zumindest teilweise überkommt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Vorrichtung für eine Herstellungsvorrichtung zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen bereitgestellt wird. Solch eine Vorrichtung umfasst dabei eine einen Bauraum der Herstellungsvorrichtung nach unten begrenzende Grundplatte mit Antriebseinheit. Die Vorrichtung umfasst in dieser Ausgestaltung ferner ein auf die Grundplatte anordenbares System mit einer Vielzahl von Bauraumbegrenzungselementen. Dabei ist die Vielzahl von Bauraumbegrenzungselementen individuell mittels der Antriebseinheit verstellbar, sodass der Bauraum der Herstellungsvorrichtung mittels des Systems flexibel anpassbar ist.
Auf diese Weise ist es möglich, eine Vorrichtung für eine Herstellungsvorrichtung zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen hervorzubringen, welche die zuvor genannten Nachteile zumindest teilweise überkommt.
Es ist somit möglich durch ein gezieltes, individuelles Verstellen der einzelnen Bauraumbegrenzungselemente ein Volumen an losen, ungebundenen Pulver zu minimieren.
Somit lässt sich eine Ressourcenschonung erreichen, da das Ausgangsmaterial in Form von entsprechenden Pulvern sehr effizient eingesetzt wird. Diese Materialeffizienz führt insofern auch zu einer Kosteneinsparung in dem Herstellungsverfahren.
Die Grundplatte stellt eine Basisfläche bereit, auf welcher dann die Herstellungsprozesse stattfinden. Die Bauraumbegrenzungselemente sind dabei so kleinteilig zu wählen, sodass auch spezielle Teilbereiche von einer komplexen Geometrie der zu fertigenden 3D-Bauteile derart berücksichtigt werden, sodass ein hochanpassungsfähiger flexibler Bauraum bereitstellbar ist.
Diese Einstellmöglichkeiten gehen dabei weit über eine reine Absenkmechanik hinaus und sind somit besonders dann von Vorteil, wenn Teilbereiche bei den zu fertigenden 3D-Bauteilen einen individuellen Bauraum verlangen. Der flexibel anpassbare Bauraum stellt somit sicher, dass diese Teilbereiche in einer geschützten Umgebung vorteilhaft gefertigt werden können, ohne dass filigrane Elemente der zu fertigenden 3D-Bauteilen dabei beschädigt werden.
Die Vorrichtung kann in jede konventionelle Herstellungsvorrichtung zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen eingesetzt werden. Beispielsweise ist die vorgestellte Vorrichtung in einen bereits vorhandenen Bauraum einer konventionelle Herstellungsvorrichtung zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen anordenbar und kann dabei mit vorhandenen Steuereinheiten gekoppelt werden. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass die Vorrichtung über eigene Steuereinheiten verfügt und autark zu bedienen ist.
Wenn beispielsweise der Bauraum einer konventionellen Herstellungsvorrichtung, in welche die vorgestellte Vorrichtung einzusetzen ist, bereits absenkbar ausgebildet ist, so ist es mittels der vorgestellten Vorrichtung vorteilhaft möglich, den Bauraum unabhängig von der Absenkbewegung besonders gezielt und individuell mittels der unabhängig voneinander verstellbaren Bauraumbegrenzungselementen zu begrenzen. Die Verstellbewegungen der einzelnen Bauraumbegrenzungselemente sind mit anderen Worten unabhängig von einer Absenkbewegung des Bauraums, in welchem die Grundplatte der vorgestellten Vorrichtung derart anzuordnen ist, sodass diese den Bauraum der Herstellungsvorrichtung nach unten begrenzt.
Über eine geeignete Synchronisation der Steuerungen von Vorrichtung und Herstellungsvorrichtung, in welcher die Vorrichtung einzusetzen ist, kann dann ein individuell verstellbares Herstellungsverfahren durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil der vorgestellten Vorrichtung liegt darin, dass diese Vorrichtung nachträglich in eine Vielzahl von konventionellen Herstellungsvorrichtungen zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen nachrüstbar ist. Anders gesagt ist die modular vorgesehene Konstruktionsweise der vorgestellten Vorrichtung bewusst derart ausgelegt, sodass ein einfaches einsetzen der Vorrichtung in einen Bauraum einer entsprechenden konventionellen Herstellungsvorrichtung zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen möglich ist. Insbesondere die vorgesehene Grundplatte der vorgestellten Vorrichtung ist für diese Zwecke vorgesehen. Ein Platzbedarf einer in diese Grundplatte integrierte Antriebseinheit beschränkt sich dabei im Wesentlichen auf die Ausmaße dieser Grundplatte, sodass hinsichtlich dieser Antriebseinheit keine weiteren räumlichen Anpassungen der Herstellungsvorrichtung, in welcher die Vorrichtung einzusetzen ist, nötigt sind.
Insbesondere ist es mittels der vorgestellten Vorrichtung möglich, die einzelnen Bauraumbegrenzungselemente vor jedem Pulverauftragsprozess zu verstellen, sodass für jede aufzutragende Pulverschicht eine spezifische Auftragsfläche vorliegt. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass ein Anteil von der Vielzahl der Bauraumbegrenzungselemente in den Bauraum hinein verschoben beziehungsweise verstellt wird, während ein anderer Anteil von der Vielzahl der Bauraumbegrenzungselemente aus dem Bauraum heraus verschoben beziehungsweise verstellt wird.
Die Antriebseinheit kann für diese Zwecke über beliebig viele Aktorelemente verfügen, sodass die individuelle Verstellbarkeit der Bauraumbegrenzungselemente besonders einfach durchführbar ist.
Mittels der vorgestellten Vorrichtung ist eine Minimierung des Einsatzes an losem, ungebundenen Pulver bewirkbar. Kostenintensiver Pulverwerkstoff wird eingespart, sodass ein effizienterer Herstellungsprozess resultiert. Es lässt sich somit eine Steigerung des Potenzials der pulverbasierten additiven Fertigung erreichen. Es lässt sich somit eine Vermeidung der Entsorgung von Altpulver erreichen, da Pulver eingespart wird. Aufgrund der Einsparungen lässt sich somit eine Reduzierung des Aufwandes zur Wiederaufbereitung von losem, ungebundenem Pulver bewirken.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Herstellungsvorrichtung bereitgestellt wird, welche eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst. Die zuvor genannten Vorteile gelten, soweit übertragbar, auch für die vorgestellte Herstellungsvorrichtung. Die vorgestellte Herstellungsvorrichtung kann beispielsweise so ausgestaltet sein, sodass sie als SLM-Herstellungsvorrichtung, Binder-Jetting-Herstellungsvorrichtung, SLS-Herstellungsvorrichtung oder MJF-Herstellungsvorrichtung einsetzbar ist.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
So ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Antriebseinheit ausgelegt ist, zumindest eines der Bauraumbegrenzungselemente um zumindest eine Schicht der herzustellenden 3D-Bauteile zu verstellen.
Mit anderen Worten kann die Antriebseinheit die Bauraumbegrenzungselemente mindestens um eine Schichtdicke verfahren beziehungsweise gegebenenfalls auch um ein Vielfaches einer Schichtdicke verfahren. Dabei sind die Bauraumbegrenzungselemente mittels der Antriebseinheit sowohl in den Bauraum hineinfahrbar als auch herausfahrbar vorgesehen. Zudem ist jedes Bauraumbegrenzungselemente dabei individuell verfahrbar. Der Vorteil dieser kleinsten Verstellmöglichkeit besteht vor allem darin, dass jeweils vor dem Auftrag einer weiteren Materialschicht eine hochindividuelle Gestaltung des Bauraums mittels der vorgestellten Vorrichtung einstellbar ist, sodass besonders effizient Pulvermaterial einspart werden kann.
Auch ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Bauraumbegrenzungselemente im Wesentlichen vertikal in dem Bauraum verstellbar sind.
Die individuelle Verstellung der einzelnen Bauraumbegrenzungselemente kann dabei so bewirkbar sein, sodass sie entsprechend einer Kontur eines jeweiligen zu fertigenden 3D-Bauteils vorliegt. Dies wird Schritt für Schritt bewirkt, indem beispielsweise eine individuelle Verstellung für jede aufzutragende Materialschicht bewirkbar ist. Die einzelnen Bauraumbegrenzungselemente stützen dabei die zu fertigenden 3D-Bauteile auf vorteilhafte Weise während des Herstellungsprozesses, sodass diese vor Beschädigungen bewahrt werden.
Eine vertikale Einschiebung der jeweiligen Bauraumbegrenzungselemente, welche nebeneinander anzuordnen sind, wirkt einer jeweiligen Verformung der einzelnen Bauraumbegrenzungselemente entgegen. Das System ist somit in jeglichen individuellen verstellten Positionen besonders stabil, sodass es die hervorgebrachten 3D-Bauteile während und auch nach dem Herstellungsvorgang optimal stützen kann.
Ferner ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Bauraumbegrenzungselemente im Wesentlichen horizontal in dem Bauraum verstellbar sind.
Das System ist entsprechend anpassbar ausgelegt in dem es beispielsweise seitliche Wandungen umfasst. Mit anderen Worten ist dann die vorgestellte Vorrichtung derart in eine Herstellungsvorrichtung einzusetzen, sodass diese Seitenwände dann an jeweiligen seitlichen Begrenzungen eines Bauraums der Herstellungsvorrichtung angrenzen und eine Verstellbarkeit der Bauraumbegrenzungselemente im Wesentlichen horizontal in den Bauraum ermöglichen.
Die Antriebseinheit ist dabei entsprechend für diese Zwecke und diese spezielle Ausführungsform ausgelegt, sodass eine individuelle Bewegung der Bauraumbegrenzungselemente im Wesentlichen horizontal in den Bauraum bewirkbar ist. Auf diese Weise ist ebenfalls ein besonders flexibler Bauraum mittels der vorgestellten Vorrichtung bereitstellbar, sodass überschüssiges Pulver während des Herstellungsprozesses minimierbar ist.
Zudem ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Bauraumbegrenzungselemente im Wesentlichen zumindest eines der folgenden Materialien umfassen: Metall, Stahlwerkstoff, Kunststoff, Keramik, faserverstärktes Material.
Die jeweiligen vorgestellten Materialien sind insbesondere deswegen vorteilhaft, da sie eine gewisse Festigkeit der Bauraumbegrenzungselemente sicherstellen, sodass die Bauraumbegrenzungselemente die zu fertigenden 3D-Bauteile in vorteilhafter Weise während und nach dem Herstellungsvorgang besonders gut stützen können.
Auch ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass im Falle einer vertikalen Verstellbarkeit der Bauraumbegrenzungselemente eine maximale Verstellbarkeit der Bauraumbegrenzungselemente von einer räumlichen Ausdehnung des zu fertigenden Bauteils limitiert ist.
Auf diese Weise ist es möglich, die zu fertigenden Bauteile durch die individuell während des Herstellungsprozesses verstellbaren Bauraumbegrenzungselemente besonders gut zu stützen und zu schützen. Beispielsweise ist dabei ein benutzerdefiniert einstellbarer Randabstand zu den zu fertigenden 3D-Bauteilen vorsehbar, sodass eine unmittelbare Kollision mit den zu fertigenden 3D-Bauteilen ausgeschlossen wird. Mit anderen Worten ist dann ein minimaler Anteil an losem Pulver zwischen den jeweiligen Bauraumbegrenzungselementen und den zu fertigenden 3D-Bauteilen vorliegend, sodass eine besonders schonende mittelbare Stützwirkung der Bauraumbegrenzungselemente bereitstellbar ist.
Diese Vorgehensweise kann auch als das Bereitstellen eines virtuellen Mantels bezeichnet werden. Dabei wird jedem Bauteil ein virtueller Mantel mit einem möglichst minimalen Randabstand zu einer Außenkontur des Bauteils zugeordnet. Dieser Mantel ist dann die Begrenzung für die Bauraumbegrenzungselemente. Die Bauraumbegrenzungselemente sind entsprechend dann nur bis zum Erreichen des definierten Randabstandes beziehungsweise des Mantels um die Bauteile herum ausfahrbar, sodass eine Kollision mit den Bauteilen ausgeschlossen wird. Ein Bauraumbegrenzungselement ist somit maximal bis zum Erreichen des virtuellen Mantels ausfahrbar, wobei jeweilige benutzerdefinierte Einstellungen an der Vorrichtung selbst oder mittelbar über ein Steuerprogramm der übergeordneten Herstellungsvorrichtung, in welcher die Vorrichtung einzusetzen ist, bewirkbar sind.
Dies kann beispielsweise unter zur Hilfenahme von Konstruktionsdaten der zu fertigenden 3D-Bauteile geschehen. Auf diese Weise wird zudem sichergestellt, dass die Außenkontur beziehungsweise die Oberfläche der Bauteile eingehalten werden können. Weiterhin ist in den jeweiligen Ausgestaltungen der vorgestellten Vorrichtung eine Ausfahrlänge der Bauraumbegrenzungselemente derart zu begrenzen, sodass eine Kontur des jeweiligen Bauteilmantels möglichst optimal, sprich möglichst nah, von den Bauraumbegrenzungselementen angefahren werden kann und somit möglichst wenig loses umliegendes Pulver resultiert.
Dabei gilt, dass das Volumen des losen, ungebunden Pulvers durch die Steuerung der Bauraumbegrenzungselemente möglichst zu reduzieren ist. Die Steuerung der Bauraumbegrenzungselemente ist beispielsweise durch die Regelungs- und Steuerungseinheit der Herstellungsvorrichtung, in welcher die Vorrichtung einzusetzen ist, bewirkbar. Ferner ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass wenigstens eines der Bauraumbegrenzungselemente im Wesentlichen vertikal in dem Bauraum verstellbar ist und wenigstens eines der Bauraumbegrenzungselemente im Wesentlichen horizontal in dem Bauraum verstellbar ist. Die zuvor genannten Vorteile sind somit noch besser erreichbar.
Auch ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Bauraumbegrenzungselemente eine Querschnittsfläche aufweisen, welche aus den folgenden Geometrien ausgewählt ist: im Wesentlichen rund, quadratisch, hexagonal, polygonal.
Je nach Außengeometrie der zu fertigenden Bauteile sind somit die Bauraumbegrenzungselemente jeweils so auszuwählen, sodass eine Kontur des jeweils zu fertigenden Bauteils möglichst optimal abbildbar ist. Beispielsweise ist dabei eine Querschnittsfläche der jeweiligen Bauraumbegrenzungselemente zu minimieren. Es ist beispielsweise vorstellbar, dass die Bauraumbegrenzungselemente einem Baukastenprinzip nach auswählbar sind und für einen individuellen Einsatz der vorgestellten Vorrichtung entsprechend in dieser vorzuhalten beziehungsweis zu installieren sind.
Schlussendlich ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Vorrichtung ausgelegt ist, in eine der folgenden Herstellungsvorrichtungen zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen eingesetzt zu werden: SLM-Herstellungsvorrichtung, Binder-Jetting-Herstellungsvorrichtung, SLS-Herstellungsvorrichtung, MJF-Herstellungsvorrichtung.
Die vorgestellte Vorrichtung ist für alle pulverbasierten additiven Fertigungsverfahren und Fertigungsvorrichtungen mit Vorteil einsetzbar und insbesondere für die oben vorgestellten Vorrichtungen mit Vorteil einsetzbar. Der Einsatz der vorgestellten Vorrichtung ermöglicht einen vorteilhaften Einsatz von losem, ungebundenem Pulverwerkstoff in der pulverbasierten additiven Fertigung beispielsweise von Kunststoff-, Metall-, Aluminium- oder Keramik-Bauteilen wobei ein flexibler Bauraum auf das minimal notwendige Maß reduzierbar ist.
Neben einem Einsatz der vorgestellten Gegenstände bei der Fertigung von Bauteilen für die Automobilindustrie sind weitere Einsätze in weiteren Industriebreichen vorstellbar. Auch ist eine Übertragbarkeit auf andere additive Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel filamentbasierte oder harzbasierte additive Fertigungsverfahren vorstellbar.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung von einer Vorrichtung für eine Herstellungsvorrichtung zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen;
2 eine weitere schematische Darstellung von einer Vorrichtung für eine Herstellungsvorrichtung zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen;
3 eine weitere schematische Darstellung von einer Vorrichtung für eine Herstellungsvorrichtung zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen;
4 eine weitere schematische Darstellung von einer Vorrichtung für eine Herstellungsvorrichtung zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen;
5 eine schematische Darstellung von einer Herstellungsvorrichtung.

1 zeigt eine schematische Darstellung von einer Vorrichtung 10 für eine Herstellungsvorrichtung 12 zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen 14. Es handelt sich dabei um eine Draufsicht von oben. In einem Arbeitsbereich 16 der Herstellungsvorrichtung 12 ist ein Bauraum 18 für die additive Herstellung der 3D-Bauteile 14 dargestellt. Die Vorrichtung 10 ist in diesem Bauraum 18 angeordnet dargestellt. Dabei ist diese Vorrichtung 10 mit einem System 20 mit einer Vielzahl von Bauraumbegrenzungselementen 22 dargestellt. Diese Bauraumbegrenzungselementen 22 sind dabei individuell in Richtung des Bauraums 18 verschoben dargestellt, wobei sie jeweils mittels einer nicht näher dargestellten Antriebseinheit einer ebenfalls nicht näher dargestellten Grundplatte der Vorrichtung 10 individuell bewegbar sind. In dieser 1 sind die Bauraumbegrenzungselementen 22 im Wesentlichen horizontal in den Bauraum 18 verschiebbar vorgesehen. Bewegungspfeile 24, 26 deuten diese horizontale Richtung an.
Die nicht näher dargestellte Grundplatte ist in dieser 1 unterhalb des Bauraums 18 verortet und somit sowohl von den jeweiligen Bauraumbegrenzungselementen 22 als auch von den 3D-Bauteilen 14 und losem Pulverwerkstoff 28 verdeckt. Das System 20 ist schematisch als eine den Bauraum 18 umschließende Einheit dargestellt, aus welcher die Bauraumbegrenzungselementen 22 reversibel in den Bauraum 18 hinein bewegbar sind. Rund um die dargestellten 3D-Bauteile 14 sind mit gestrichelten Hilfslinien 30 virtuelle Mäntel dargestellt. Diese virtuellen Mäntel deuten an, wie weit die Bauraumbegrenzungselemente 22 in Richtung der zu fertigenden 3D-Bauteile 14 maximal zu verschieben sind. Der Pulverwerkstoff 28 ist dabei in einer Pulverwerkstoffeinheit 32 vorgehalten und kann mittels einer Verfahrbewegung einer dargestellten Auftragseinheit 34 der Herstellungsvorrichtung 12 schichtweise aufgetragen werden. Ein Doppelpfeil 35 deutet diese Verfahrbewegung der Auftragseinheit 34 an.
Beispielsweise wird diese aufgetragene Schicht dann mittels weiterer Mittel partiell verfestigt, sodass ein schichtweises Aufbauen beziehungsweise Drucken der 3D-Bauteile 14 durchführbar ist. Die Bauraumbegrenzungselementen 22 sind dabei vor jedem erneuten Auftragen der nächsten Schicht individuell so verfahrbar beziehungsweise verstellbar, sodass der sich einstellende freie Bereich des Bauraums 18 flexibel gestaltbar ist, um die Menge an Pulverwerkstoff 28 zu minimieren. Mittels der vorgestellten Vorrichtung 10 kann somit ein flexibler Bauraum 18 temporär bereitgestellt werden, sodass für das Auftragen einer jeweiligen Schicht von Pulverwerkstoff 28 eine Minimierung des Bedarfs an Pulverwerkstoff 28 bewirkbar ist.
Um das System 20 herum ist zudem eine Überlaufeinheit 36 dargestellt, welche ausgelegt ist, überschüssiges Pulverwerkstoff 28 während des Herstellungsvorgangs aufzufangen.
Ein Arbeitsschritt der gezeigten Anordnung aus vorgestellter Vorrichtung 10 und Herstellungsvorrichtung 12 ist beispielsweise wie folgt vorgesehen: Zunächst wird bei der Baujob-Vorbereitung jedes 3D-Bauteil 14 entsprechend eines minimalen Bedarfes an losem, ungebundenen Pulverwerkstoff 28 positioniert. Der Pulverwerkstoff 28 kann beispielsweise ein Pulver aus Kunststoff, Metall oder Keramik sein. Anschließend wird jedem 3D-Bauteil 14 ein virtueller Mantel mit einem möglichst minimalen Randabstand zur Außenkontur des jeweiligen Bauteils 14 zugeordnet.
Dieser Mantel ist die Begrenzung für die Bauraumbegrenzungselemente 22. Die Bauraumbegrenzungselemente 22 werden nur bis zum Erreichen des definierten Randabstandes beziehungsweise des Mantels um die Bauteile 14 herum ausgefahren, sodass eine Kollision mit den Bauteilen 14 ausgeschlossen wird. Ein Bauraumbegrenzungselement 22 darf hierbei maximal bis zum Erreichen des Mantels ausgefahren beziehungsweise verschoben werden. Zudem wird sichergestellt, dass die Außenkontur beziehungsweise Oberflächengüte der Bauteile 14 eingehalten werden können. Weiterhin ist die Ausfahrlänge der Bauraumbegrenzungselemente 22 derart zu wählen, sodass die Kontur der Bauteilmäntel möglichst optimal von den Bauraumbegrenzungselementen 22 angefahren werden können und möglichst wenig loser umliegender Pulverwerkstoff 28 resultiert.
Hierbei gilt beispielsweise, dass das Volumen des losen, ungebundenen Pulverwerkstoffes 28 durch die Steuerung der Bauraumbegrenzungselemente 22 möglichst zu reduzieren ist. Die Steuerung der Bauraumbegrenzungselemente 22 wird etwa durch die Regelungs-Steuerungseinheit der Herstellungsvorrichtung 12 durchgeführt, wobei entsprechend die nicht näher dargestellte Antriebseinheit von der ebenfalls in dieser 1 nicht näher dargestellten Grundplatte mittels des Systems 20 diese Verschiebbarkeit der jeweiligen Bauraumbegrenzungselemente 22 bewirkt.
In dieser 1 ist das System 20 in einem Seitenwandbereich des Bauraums 18 integriert und so verortet, sodass die jeweiligen Bauraumbegrenzungselemente 22 ausgehend von einer Seitenwandposition des Bauraums 18 in horizontaler Richtung in diesen Bauraum 18 verfahrbar vorgesehen sind.
Nachdem der Baujob vorbereitet worden ist, werden die schichtspezifischen Bauraumbegrenzungselemente 22, welche auch als Schieber oder Schieberelement bezeichnet werden können, vor jedem Pulverwerkstoffauftragsprozess ausgefahren, sodass für jede aufzutragende Schicht des Pulverwerkstoffes 28 eine spezifische Auftragsfläche vorliegt. Hierbei ist beispielsweise die Auftragseinheit 34 schichtweise an die Konturen des Pulverbettes anzupassen. Überschüssige Anteile des Pulverwerkstoffes, welche bereits aufgrund der Vorrichtung 10 minimiert sind, können mithilfe der Auftragseinheit 34 in die Überlaufeinheit 36 befördert werden. Diese Anteile können ohne eine intensive Wiederaufbereitung erneut genutzt werden. Anschließend erfolgt der Pulverwerkstoffauftrag und der spezifische Vorgang zur Bindung der Pulverpartikel entsprechend der schichtspezifischen Bauteilkonturen, zum Beispiel mittels Lasereinheiten oder Bindemittel. Danach fährt der gesamte Bauraum 18 um beispielsweise eine Schichtdicke herab und es beginnt erneut das schichtspezifische Ausbeziehungsweise Einfahren der jeweiligen Bauraumbegrenzungselemente 22 gemäß der Bauteilkonturen und eines minimalen Einsatzes von losem ungebundenen Pulverwerkstoff 28.
Die vorgestellte Vorrichtung 10 weist beispielsweise Ausmaße auf, welche auf einen jeweiligen Arbeitsbereich 16 angepasst sind. Mit anderen Worten sind jeweilige Dimensionen der vorgestellten Vorrichtung 10 flexibel an die Maße des Arbeitsbereichs 16 der jeweiligen Fertigungsanlage anpassbar oder werden für diese Zwecke entsprechend gefertigt. Hierbei kann etwa vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 10 die Ausmaße des Arbeitsbereichs 16 in X-Y-Richtung nicht überschreitet.
Denkbar ist jedoch ebenfalls, dass die Vorrichtung 10 kleinere Ausmaße als der maximal zur Verfügung stehende Arbeitsbereich 16 in X-Y-Richtung aufweist, sodass die Erfindung nur lokal im Arbeitsbereich 16 genutzt wird. In Z-Richtung kann die Vorrichtung beispielsweise maximal die Ausmaße des Arbeitsbereichs 16, in welchen sie integriert wird, in Z-Richtung aufweisen. Die Vorrichtung 10 ist dabei etwa in Z-Richtung mindestens so groß wie die maximale Ausfahrlänge der Bauraumbegrenzungselemente 22.
Die Bauraumbegrenzungselemente 22 sind beispielsweise in ihrer Länge in horizontaler Richtung an die Dimensionen des Bauraums 18 begrenzt. In vertikaler Richtung können die Länge der Bauraumbegrenzungselemente 22 die Dimensionen des Bauraums 18 überschreiten, sofern diese erforderlich ist.
Die Querschnittsfläche der Bauraumbegrenzungselemente 22 ist grundsätzlich zu minimieren, um die Bauteilkontur optimal abzubilden. Ideal wäre, wenn die Ausmaße der Querschnittsfläche einem Vielfachen der Schichtdicke entsprechen (typischerweise 50 µm - 200 µm). Praxistauglich sind jedoch eher Ausmaße im einstelligen Millimeterbereich (1 - 9 mm). Denkbar sind jedoch auch Ausmaße im zweistelligen Millimeterbereich (10 - 30 mm).
2 zeigt eine weitere schematische Darstellung von einer Vorrichtung 10 für eine Herstellungsvorrichtung 12 zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen 14. Da es sich um eine Seitenansicht der in 1 dargestellten Anordnung handelt, werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, welche somit an dieser Stelle nicht erneut eingeführt werden.
In dieser Seitenansicht ist schematisch die Grundplatte 38 der Vorrichtung 10 dargestellt. In dieser Grundplatte 38 ist eine nicht näher dargestellte Antriebseinheit der Vorrichtung 10 vorgesehen. Mit anderen Worten ist auf dieser Grundplatte 38 das System 20 mit der Vielzahl von Bauraumbegrenzungselementen 22 angeordnet dargestellt, wobei die Vielzahl von Bauraumbegrenzungselementen 22 individuell mittels der nicht näher dargestellten Antriebseinheit verstellbar ist, sodass der Bauraum 18 der Herstellungsvorrichtung 12 mittels des Systems 20 flexibel anpassbar ist. Die nicht näher dargestellte Antriebseinheit kann beispielsweise eine Vielzahl von Aktoren umfassen, welche mit einer übergeordneten Motoreinheit und einer entsprechenden Mechanik bedienbar sind oder zumindest teilweise auch über eigene Motoreinheiten, beispielsweise eigene Elektromotoreinheiten verfügen können.
Das System 20 kann auch als Schiebersystem oder Bauraumbegrenzungselementsystem bezeichnet werden. Die Grundplatte 38 begrenzt dabei den Bauraum 18 der Herstellungsvorrichtung 12 nach unten. Mit anderen Worten wird die vorgestellte Vorrichtung 10 in einen Bauraum 18 der Herstellungsvorrichtung 12 derart eingesetzt, sodass die Grundplatte 38 einen Bauraum 18 der Herstellungsvorrichtung 12 nach unten begrenzt. Es ist beispielweise vorstellbar, dass die Grundplatte 38 im Wesentlichen bündig auf einer absenkbaren Plattform der Herstellungsvorrichtung 12 eingesetzt beziehungsweise angeordnet wird. Es ist zum Beispiel vorstellbar, dass, nachdem eine Absenkbewegung der Herstellungsvorrichtung 12 durchgeführt wurde, dann eine Anpassung des Bauraums 18 mittels der Verstellung der jeweiligen Bauraumbegrenzungselemente 22 bewirkt wird.
3 zeigt eine weitere schematische Darstellung von einer Vorrichtung 10 für eine Herstellungsvorrichtung 12 zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen 14. Es gelten die gleichen Bezugszeichen wie in den vorherigen Figuren, sodass diese an dieser Stelle nicht erneut eingeführt werden.
In dieser Draufsicht wird eine weitere Ausgestaltung der vorgestellten Vorrichtung 10 dargestellt. Die einzelnen Bauraumbegrenzungselemente 22 sind dabei im Wesentlichen vertikal bezogen auf den Bauraum 18 verfahrbar beziehungsweise verschiebbar vorgesehen.
4 zeigt eine weitere schematische Darstellung von einer Vorrichtung 10 für eine Herstellungsvorrichtung 12 zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen 14. Es gelten die gleichen Bezugszeichen wie in den vorherigen Figuren, sodass diese an dieser Stelle nicht erneut eingeführt werden. In dieser Seitenansicht ist die dargestellte Anordnung von 3 dargestellt.
5 zeigt eine schematische Darstellung von einer Herstellungsvorrichtung 12. Es gelten die gleichen Bezugszeichen wie in den vorherigen Figuren, sodass diese an dieser Stelle nicht erneut eingeführt werden. Die Vorrichtung 10 ist dabei auf einer Plattformeinheit 40 der Herstellungsvorrichtung 12 aufgelegt dargestellt, wobei die Grundplatte 38 im Wesentlichen bündig auf dieser Plattformeinheit 40 aufliegt. Es ist beispielsweise vorstellbar, dass die Grundplatte 38 mit nicht näher dargestellten Befestigungsmitteln an der Plattformeinheit 40 anordenbar ist. Auch ist vorstellbar, dass die Vorrichtung 10 über nicht näher dargestellte Schnittstelleneinheiten verfügt, sodass eine funktionale Kopplung mit der Herstellungsvorrichtung 12 durchführbar ist. Auf diese Weise sind dann Steuerbefehle für die Vorrichtung 10 auch von der Herstellungsvorrichtung 12 aus bereitstellbar.
Die Herstellungsvorrichtung 12 ist zudem mit einer im Wesentlichen vertikal verstellbaren Absenkeinheit 42 dargestellt. Mittels dieser Absenkeinheit 42 ist die Plattformeinheit 40 gemäß dargestelltem Bewegungsdoppelpfeil nach oben und unten beweglich vorgesehen. Jeweils anschließend an solch eine Bewegung erfolgt dann die Feineinstellung des Bauraums 18, sodass Anteile an losem Pulverwerkstoff 28 minimiert werden können.
Die dargestellte Vorrichtung 10 weist zudem eine Kombination von jeweils verstellbaren Bauraumbegrenzungselementen 22 auf. Mit anderen Worten ist wenigstens eines der Bauraumbegrenzungselemente 22 im Wesentlichen vertikal in den Bauraum 18 verstellbar und wenigstens eines der Bauraumbegrenzungselemente 22 ist im Wesentlichen horizontal in den Bauraum 18 verstellbar.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Herstellungsvorrichtung
14: 3D-Bauteil
16: Arbeitsbereich
18: Bauraum
20: System
22: Bauraumbegrenzungselement
24: erster Bewegungspfeil
26: zweiter Bewegungspfeil
28: Pulverwerkstoff
30: gestrichelte Hilfslinie
32: Pulverwerkstoffeinheit
34: Auftragseinheit
35: Doppelpfeil
36: Überlaufeinheit
38: Grundplatte
40: Plattformeinheit
42: Absenkeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016201369 A1 [0007]
US 10632732 B2 [0008]

Claims

Vorrichtung (10) für eine Herstellungsvorrichtung (12) zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen (14) umfassend eine einen Bauraum (18) der Herstellungsvorrichtung (12) nach unten begrenzende Grundplatte (38) mit Antriebseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) ferner ein auf die Grundplatte (38) anordenbares System (20) mit einer Vielzahl von Bauraumbegrenzungselementen (22) umfasst, wobei die Vielzahl von Bauraumbegrenzungselementen (22) individuell mittels der Antriebseinheit verstellbar ist, sodass der Bauraum (18) der Herstellungsvorrichtung (12) mittels des Systems (20) flexibel anpassbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Antriebseinheit ausgelegt ist, zumindest eines der Bauraumbegrenzungselemente (22) um zumindest eine Schicht der herzustellenden 3D-Bauteile (14) zu verstellen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Bauraumbegrenzungselemente (22) im Wesentlichen vertikal in dem Bauraum (18) verstellbar sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Bauraumbegrenzungselemente (22) im Wesentlichen horizontal in dem Bauraum (18) verstellbar sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Bauraumbegrenzungselemente (22) im Wesentlichen zumindest eines der folgenden Materialien umfassen: Metall, Stahlwerkstoff, Kunststoff, Keramik, faserverstärktes Material.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Falle einer vertikalen Verstellbarkeit der Bauraumbegrenzungselemente (22) eine maximale Verstellbarkeit der Bauraumbegrenzungselemente (22) von einer räumlichen Ausdehnung des zu fertigenden Bauteils (14) limitiert ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei wenigstens eines der Bauraumbegrenzungselemente (22) im Wesentlichen vertikal in dem Bauraum (18) verstellbar ist und wenigstens eines der Bauraumbegrenzungselemente (22) im Wesentlichen horizontal in dem Bauraum (18) verstellbar ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Bauraumbegrenzungselemente (22) eine Querschnittsfläche aufweisen, welche aus den folgenden Geometrien ausgewählt ist: im Wesentlichen rund, quadratisch, hexagonal, polygonal.
Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) ausgelegt ist, in eine der folgenden Herstellungsvorrichtungen (12) zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen (14) eingesetzt zu werden: Herstellungsvorrichtung zur additiven Herstellung von 3D-Bauteilen ausgewählt ist aus: SLM-Herstellungsvorrichtung, Binder-Jetting-Herstellungsvorrichtung, SLS-Herstellungsvorrichtung, MJF-Herstellungsvorrichtung.
Herstellungsvorrichtung (12) umfassend eine Vorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.