EP4334062A1 - Verfahren und vorrichtung zur entfernung von stützstrukturen aus einem gegenstand - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur entfernung von stützstrukturen aus einem gegenstandInfo
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- EP4334062A1 EP4334062A1 EP22723967.0A EP22723967A EP4334062A1 EP 4334062 A1 EP4334062 A1 EP 4334062A1 EP 22723967 A EP22723967 A EP 22723967A EP 4334062 A1 EP4334062 A1 EP 4334062A1
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Definitions
- the invention relates to a method and a device for removing support structures from an object, which was produced by an additive manufacturing process and in which at least one support structure is provided between a first element and a second element of the object and has at least one connection with each of them and in which the support structure forms an oscillating system together with the first and second element, at least one of the connections being released by excitation of the oscillating system by means of mechanical oscillations.
- the invention relates to a method for producing an object by additive manufacturing, in which the object has at least a first and a second element, which are spaced apart from one another by a free space, and in which at least one connection between the first element or The second element and at least one supporting structure are provided and in which at least one of the connections is released after the additive manufacturing of the object by introducing mechanical vibrations.
- support structures or auxiliary structures can also be used, for example, for heat transport and/or for mechanical support, stabilization or shaping.
- the support structures are usually removed as the last processing step, but this is often not possible or only possible to a very limited extent, especially in the case of internal structures or very small structures.
- support structures are greatest in 3D printing, where the use of support structures limits the manufacturability of objects or shapes.
- the profitability of the 3D printing process also depends to a large extent on the efficient removal of the support structures.
- Support structures play a particularly important role in 3D printing, especially in its sub-area that is based on gluing or fusing or sintering of material, and especially in metal-based 3D printing. Due to the high temperatures for the local melting of the material during laser sintering, thermal stresses in particular occur in the components or objects. In order to suppress the resulting deformations, support structures are sometimes unavoidable. On the one hand, they keep the building components in shape and position, on the other hand, they are essential for heat transport and temperature equalization. However, the labor cost of removing the support structures is typically over half the labor cost associated with production. As a result, the economics of such a manufacturing process is severely limited.
- WO 2018/093958 A1 discloses methods for removing support structures from 3D-printed objects made of metal (“selective laser sintering”). Support structures are used during printing to support any free-hanging areas. After printing, the articles are then sonicated to remove the support structures using an ultrasonic device with the article fully immersed in a liquid. In this case, longitudinal ultrasonic waves of a specific frequency are used to remove the support structures, with an ultrasonic sensor being attached to the support structure, which records the resonance of the support structure while the entire component is subjected to the ultrasonic waves. The frequency of the ultrasonic waves is modified until the maximum resonance of the support structure is found, ie the resonance frequency of the support structure is reached. Such a method, using a liquid as the transmission medium without taking any further countermeasures, suffers from a number of disadvantages.
- the liquid drastically reduces the quality of the resonance vibrations of the support structures through mechanical damping (the quality is often reduced by a factor of more than 100, not infrequently by a factor of well over 1000).
- This has decisive disadvantages for the excitation of the resonant vibrations.
- the amplitude increases correspondingly low, since at the same time energy flows out of the vibration system due to damping, which significantly reduces the efficiency of the method.
- the excitation energies required to release the connections and remove the support structures are very high, which in turn leads to damage to other sensitive target structures.
- the liquid can cause undesired chemical interactions with the material of the object and damage it.
- positioning them in a suitably large container is impractical and expensive, if not impossible.
- the object of the present invention is to improve a method for removing support structures from an object that has been produced by an additive manufacturing process in such a way that the support structures can be removed efficiently and safely without damaging the elements of the object itself.
- the invention solves the problem set by a method for removing support structures with the features of claim 1 and a device with the features of claim 11.
- Advantageous refinements of the invention are set out in the dependent claims, the description and the drawings.
- the method according to the invention and the device according to the invention relate to the removal of support structures from an object which was produced by an additive manufacturing process and in which at least one support structure is provided between a first element and a second element of the object and has at least one connection with each of them and in which the support structure forms an oscillating system together with the first and second elements.
- At least one of the connections is released by exciting the vibration system by means of mechanical vibrations, with at least one mechanical excitation vibration being introduced into the object by means of at least one actuator, which is coupled to the object, and fed to the vibration system and the vibration system with at least one assigned to it resonance vibration is excited in order to release the at least one connection, wherein at least one point in time the deflection of the resonance vibration exceeds the load limit at at least one point in the vibration system, the first element being a target structure or an intermediate plate and the second element of the object being a base plate of the The subject is and the at least one actuator is coupled to the first element.
- At least one point in the sense of the present invention is a point of spatial expansion that is part of the object and is formed in particular by a spatial arrangement or a spatial area of related and adjacent points in the object.
- the point is in a connection between a first or second element and a support structure.
- the load limit is exceeded in an area of associated points or locations in the connection, so that the connection between the support structure and the first or second element is completely released.
- the frequency of the excitation vibration is in the vicinity of a resonance frequency or natural frequency of the vibration system in order to enable efficient excitation of the resonance vibration.
- the resonance vibration By excitation of the resonance oscillation with an excitation frequency (frequency of the excitation oscillation) which essentially corresponds to a natural frequency of the oscillation system, the energy of several excitation oscillations can be collected in the resonance oscillation if the quality Q is sufficiently high or the damping I) is low. This leads to an increase in resonance of the resonance oscillation and very high deflections or amplitudes can be achieved.
- the resonance vibration preferably has the highest energy density in the entire object at least at a point in time at the point of the connection to be released.
- the deflection or amplitude of the resonance vibration at a point in time exceeds the load limit of the support structure at at least one point in the object, in particular at a point of the connection, the energy collected from the excitation vibration will result in a resonance catastrophe and the at least one connection between the support structure and a first or second element of the object is solved according to the invention.
- a method for removing support structures from an object which was produced using an additive manufacturing method, in particular a primary shaping method, preferably a 3D printing method, particularly preferably using a 3D printing method for metals , whereby the support structures are removed or broken open by mechanical stimulation.
- energy is fed from several actuators in the form of excitation vibrations to the support structures and collected or stored in them, whereby the vibration amplitude in the support structure is increased until the support structure breaks or the support structure is connected.
- at least one vibration parameter deflection, energy, etc.
- the excitation vibrations, the energy of which is added up can come from one or more actuators, which affects, among other things, the number of vibrations to be collected until the overload limit is reached at one point on the support structure.
- the vibration system preferably has a quality Q of greater than or equal to 1/2, in particular greater than or equal to 2, particularly preferably greater than or equal to 10.
- the quality of the vibration system is decisive for the ability of the resonance vibration to collect energy from the excitation vibrations and thus to lead to a resonance increase of the amplitude in a location-selective manner.
- the vibration system In order to achieve high quality in the vibration system, the vibration system must therefore have the lowest possible damping. Numerous influencing factors contribute to the damping of the resonance vibration, such as the medium surrounding the support structure, the connections between the support structure and the first or second element of the object, as well as other vibration systems in the Item of high quality.
- the damping also leads to a shift and broadening of the resonance, with the natural frequency of the resonance vibration being shifted by the factor (1 ⁇ D 2 ) m with damping compared to the undamped natural frequency.
- the excitation frequency of the excitation oscillation is selected such that the resonant frequency of the oscillation system is sufficiently excited, but there is no resonant excitation of other oscillation systems in the object.
- the vibration system within the meaning of the invention is the system comprising at least the first and second element and the support structure to be removed in the object, with the support structure being connected to the first and second element by at least one connection.
- a connection can be a materially bonded connection, such as is formed in the course of an additive manufacturing process.
- such a connection can also be a non-positive connection, with the support structure being clamped between the first and second element, for example, or an element being loaded on the support structure.
- target structures Those structures of the object which remain in the object after removal of all temporary elements, such as in particular the support structures, are referred to as target structures.
- a base plate can be a flat surface, for example, on which the object is formed, from which the object is detached again after completion or after the method in question has been carried out.
- the method according to the invention is thus suitable for the reliable and selective removal of all types of support structures that are temporarily provided between any elements of the object.
- An intermediate element is an element that is spaced from the target structure and from a base plate by support structures.
- the resonance vibration associated with the vibration system corresponds to the excitation of at least one natural mode of the vibration system.
- the at least one natural mode of the vibration system can preferably be a deformation vibration of the support structure.
- a deformation vibration can be understood as meaning a bending vibration, a stretching vibration, a rotational vibration or the like.
- a single actuator is coupled to the first element and introduces a mechanical excitation vibration into the first element, with which it causes the first element to resonate, whereupon the Actuator changes the excitation vibration to a counter-vibration and thereby supports the cancellation of the support structure.
- several actuators can be coupled to the first element and optionally to the second element and introduce several mechanical excitation oscillations with different excitation frequencies.
- each of the excitation vibrations can stimulate a different resonance vibration and thus a different natural mode of the vibration system.
- the resonant vibrations of the vibration system are superimposed to form a resulting overall vibration, which, for example, can have a stretching vibration and a rotational vibration at the same time.
- a more efficient release of the at least one connection of the support structure can be achieved by the simultaneous excitation of several resonant vibrations, wherein the amplitudes of the individual excitation vibrations can be reduced and the risk of damage to target structures is reduced.
- the excitation frequencies of the several excitation oscillations are preferably not in any rational relationship to one another.
- the quotient of the excitation frequencies is preferably an irrational number, so that an excitation of the same resonance oscillation by a plurality of excitation frequencies is avoided.
- several actuators can be coupled to the object and introduce several excitation oscillations into the object with essentially the same excitation frequencies.
- the excitation vibrations can preferably be constructively superimposed on the resonance vibration in the vibration system at the location of the support structure, whereby the amplitude of the resonance vibration in the vibration system can be increased in a simple manner and the release of the connection can be further facilitated.
- at least one actuator is attached to the base plate of the object and the actuators attached to the first element and to the base plate have the same or a similar excitation frequency, with similar excitation frequencies being related by a maximum of 10% the smaller excitation frequency differ from each other.
- the excitation by the actuators should be synchronous, i.e. with the same or similar phase position, with a similar phase position meaning a phase difference of maximum 15°.
- the reliability of the method can be further increased.
- the phase shift of the excitation vibrations introduced into the object is adjusted in such a way that the excitation vibrations have the same phase at the location of the support structure have and thus overlap constructively. In this way, the excitation of other structures or elements in the object can be avoided, since the excitation oscillations are constructively superimposed only at points of the same phase and cancel out or weaken one another in the remaining area of the object.
- At least one actuator is attached to a support structure of the object.
- the at least one mechanical actuator is directly mechanically coupled to the object, i.e. the mechanical coupling between the actuator and the object does not take place via a fluid as an indirect vibration transmitter.
- the object can be freely suspended or kept freely floating during the method.
- damping components in the vibration system and a discharge of vibration energy from the support structure into the damping can be avoided.
- a free suspension can take place, for example, by decoupling the object via elastic buffers, air cushions, etc., or by suspending it by means of springs, ropes, or the like.
- the object is held magnetically floating, for example.
- the suspension can preferably be designed such that the resonant frequencies of the suspension itself are at a sufficient distance from the resonant frequencies of the vibration system of the support structure and thus no resonant excitation of the suspension occurs as a result of the excitation vibration.
- the achievable quality of the resonance vibration in the vibration system can thus be at least 100, preferably at least 1,000, particularly preferably at least 10,000.
- the actuators are connected to a control device via electrical lines
- these electrical lines can be designed in such a way that they only add very little damping to the suspension.
- the electrical lines can consist, for example, of very thin wires made of flexible strands (e.g. braided strands), or in a further embodiment variant the control device can be provided directly together with the actuators.
- the controller and the actuators could be supplied with wireless energy supplies (e.g. by means of batteries), so that no electrical lines are necessary to the outside, which exert additional damping on the suspension.
- the controller can communicate wirelessly with the actuators (for example by radio, by wireless network, by optical signal transmission or the like).
- a mechanical pulse in addition to excitation of the vibration system with the at least one resonant vibration, can be introduced into the base plate or the support structure. While the resonance vibration is excited via the excitation vibration, the mechanical impulse can also couple into the resonance vibration and briefly increase its amplitude.
- the impulse can be coupled into the object, for example by means of a short, hard impact, and there it can excite a broad frequency spectrum with a high amplitude. The deflection of the support structure can exceed the breaking point in the connection and thus cause the connection to suddenly loosen.
- the resonant frequency of the resonant vibration can be determined and the excitation frequency of the excitation vibration can be adjusted as a function of the resonant frequency determined, in particular in a control loop (control loop).
- this connection can harden as a result of the vibrations.
- the progressive hardening of the connection results in a constant shift in the resonant frequency of the associated resonance vibration, as a result of which the excitation vibration has to be tracked in order to ensure resonant excitation of the resonance vibration until the connection is released.
- this can prevent the excitation frequency from resonantly exciting target structure vibration systems instead of the support structure vibration system and damaging or destroying target structures as a result of shifting the resonant frequencies.
- the resonant frequency of at least one resonant vibration of the vibration system can be determined continuously, for example by introducing a frequency sweep via the actuators into the vibration system as an excitation vibration and measuring the frequency response via sensors. After the resonance frequency of the resonance vibration has been determined, the excitation frequency can then be set to the determined resonance frequency and the method can be continued again with the introduction of the excitation vibration into the support structure. As a result, the most efficient possible excitation of the resonance vibration of the vibration system can always be ensured in order to ensure the most targeted possible release of the at least one connection between the support structure and the first and second element.
- the determination of the resonant frequency and subsequent adjustment of the excitation vibration can preferably take place continuously in a control loop, so that the method can react immediately to changes or shifts in the resonance frequency.
- phase-locked loop PLL—phase-locked loop
- the phase of the excitation vibration is always adapted to the phase of the resonance vibration and tracks it. If the phases of the excitation and resonance oscillations match, then the excitation frequency also corresponds to the resonance frequency.
- the excitation oscillation can be introduced into the support structure oscillation system as a continuous sinusoidal oscillation with a specific excitation frequency. In this way, a targeted excitation of specific resonance oscillations can be achieved, but if the resonance frequency shifts, the excitation frequency must be tracked in order to continue to achieve excitation of the desired structure.
- the excitation oscillation can also have a pulsed sinusoidal oscillation.
- the spatial selectivity of the resonant excitation of the resonance oscillation can be significantly increased by the time-limited sine pulse, in particular when using a plurality of actuators at the same time.
- the excitation oscillation can also have band noise.
- band noise can appear, for example, in the frequency spectrum as a Gaussian curve with a mean value at the nominal excitation frequency.
- the width at half maximum (FWHM) of the Gaussian curve or the normal distribution determines the width of the band noise.
- the width corresponds, for example, to one third of the excitation frequency or the mean value.
- band noise as the excitation oscillation can be characterized in particular by a lower susceptibility to frequency shifts in the resonance oscillation. For example, when there is a shift by the full width at half maximum, an excitation with half the maximum excitation amplitude can still take place.
- the excitation oscillation can have a frequency sweep.
- a vibration with a frequency that changes over time is understood as a frequency sweep, with the change in the Frequency, for example, linear (linear frequency sweep), quadratic, logarithmic or the like. Can be done.
- a frequency sweep as an excitation oscillation, a change in the resonant frequency over time can be tracked, in particular without additional control technology, with the excitation frequency increasing or decreasing continuously in accordance with the frequency sweep.
- the excitation frequency can always be kept close to the resonance frequency.
- the frequency sweep can start at an initial frequency and continuously change towards an end frequency.
- excitation frequency can also be combined with one another as desired.
- a linear frequency sweep can be combined with a continuous sine wave.
- the frequency sweep can also be combined with a pulsed sinusoidal oscillation from a plurality of actuators, the excitation frequency of all time-clocked and phase-aligned pulsed sinusoidal oscillations being continuously changed in accordance with the frequency sweep. It is also conceivable that the frequency sweep is combined with band noise or with a pulsed sine wave with superimposed band noise.
- the invention has also set itself the task of designing a device for removing support structures of the type mentioned at the outset more efficiently and cost-effectively.
- the object is achieved by a device which has at least one mechanical actuator which is coupled to the 3-dimensional object in order to initiate a mechanical excitation vibration, the device having a controller which is coupled to the at least one actuator and which is programmed to to control the excitation vibration and to excite the vibration system with at least one associated resonance vibration in such a way that at least one point in time the deflection of the resonance vibration exceeds the load limit at at least one point in the vibration system, the first element of the object being a target structure or an intermediate plate and the second element is a base plate of the object.
- the device has a plurality of actuators connected to the controller and mechanically coupled to the object, with the controller being programmed to introduce a plurality of excitation vibrations into the object, which are superimposed in the vibration system to form the resonance vibration, with at least one of the actuators being coupled to the first element is.
- the actuator can preferably be coupled directly to the object, so that the mechanical excitation vibration from the actuator can be fed directly to the vibration system in order to stimulate the resonance vibration.
- the controller of the device is programmed in such a way that in particular the frequency and/or the phase and/or the amplitude of the excitation oscillation can be controlled.
- the resonance vibration of the vibration system is excited, with the resonance vibration being formed by a vibration mode of the deformation vibration of the connection between the support structure and the first or second element of the object.
- the excitation vibration is controlled via the controller in such a way that the deflection of this resonance vibration at a point in time exceeds the load limit at a point in the vibration system, in particular the load limit of the connection, and the connection is thus released according to the invention.
- the device can have a plurality of actuators which are connected to the controller and are mechanically coupled to the object.
- the controller of the device is preferably programmed to introduce several excitation vibrations into the object at the same time, which are superimposed in the vibration system to form the resonance vibration.
- such a superimposition of the excitation vibrations can generate a resonance vibration with a very high amplitude at the location of the connection of the support structure to be released, which enables the connection to be released more easily and reliably.
- a single actuator is coupled to the first element to introduce a mechanical excitation vibration into the first element, with which the actuator causes the first element to resonate, whereupon the actuator is controlled to change the excitation vibration to a counter-vibration and thereby the Cancel the support structure to support.
- the device can have a base plate to which the at least one actuator is rigidly connected and directly coupled.
- the object with the support structure to be removed can be positioned on the base plate, which enables direct and efficient introduction of the excitation vibration into the vibration system.
- the base plate can also be used to manufacture the object.
- the object is manufactured directly on the base plate including the support structure using an additive manufacturing process (e.g. 3D printing).
- Targeted control of the actuator by means of the control of the device allows the support structure to be removed in a targeted and efficient manner without further preparatory steps after production.
- the multiple mechanical actuators can be arranged along at least one side of the base plate.
- the base plate preferably has a peripheral edge area and a central positioning area, with the positioning area being designed to accommodate the object and the mechanical actuators being arranged in the edge area of the base plate.
- a device that can be used in a particularly versatile and flexible manner can thus be provided.
- the mechanical actuators can be in the form of piezo actuators which are coupled to the object in a non-positive manner. Piezo actuators can be particularly suitable for introducing higher-frequency excitation vibrations into the object.
- the mechanical actuators can be in the form of electrodynamic actuators which have an electrodynamically linearly oscillating mass.
- the electrodynamic actuator can be designed similar to a loudspeaker or a bass shaker (structure-borne sound transducer) for generating low-frequency vibrations.
- such actuators like piezo actuators, can simultaneously emit several frequencies largely independently of one another.
- the mechanical actuators can be in the form of electrodynamic actuators which have an electrodynamically rotatable mass and/or imbalance.
- the rotatable mass or imbalance in turn introduces an excitation vibration into the object that is non-positively coupled to it.
- Such electrodynamic actuators are particularly suitable for introducing medium- to low-frequency excitation vibrations into the object with a particularly high level of efficiency.
- the device can have a pulse generator.
- a pulse generator can exert an additional excitation on the object by means of a hard blow with a high impulse, which, in addition to the excitation vibration, can contribute to a sudden release of the connection.
- the controller has a measuring device for measuring the resonant frequency of the resonant vibration and a control device for controlling the excitation frequency of the at least one excitation vibration.
- the measuring device is connected to the control device and the control device is set up to adapt the excitation frequency as a function of the resonance frequency. In this way, the device can reliably respond to changes in the resonant frequency, for example due to Hardening of the connection to be released as a result of the excitation, react and adjust the excitation frequency of the excitation vibration accordingly.
- control device can have a control loop, which can be embodied, for example, as a phase-locked loop (PLL—“phase-locked loop”).
- PLL phase-locked loop
- the control loop or the phase-locked loop can reliably adapt the excitation oscillation in such a way that it essentially always corresponds to the resonant frequency.
- the controller of the device is also preferably programmed to carry out the method according to the invention.
- the invention has also set itself the task of providing a method for producing an object by means of additive manufacturing of the type mentioned at the outset, which enables reliable production of an object using support structures and the subsequent removal of these support structures.
- the invention solves the problem in that the support structure is designed during additive manufacturing in such a way that an oscillating system consisting of the first and second element and the supporting structure is formed, the oscillating system having at least one resonant oscillation in relation to the supporting structure, the predetermined resonant frequency of which is lower is as the resonant frequencies of resonant vibrations related to the first or second element.
- the vibration system exhibits a resonant vibration whose resonant frequency is lower than the resonant frequencies related to resonant vibrations of the first or second element, resonant excitation of structures other than those to be removed can be avoided in a reliable manner. In particular, it can be ensured that only the connection between the support structure to be removed and the first or second element is released by resonant excitation and the remaining target structures of the object are not damaged.
- the predetermined resonant frequency of the resonant vibration in relation to the support structure is preferably lower than the resonant frequencies in relation to the first or second element.
- the lower frequency further reduces the probability of resonant excitation of other target structures in the object.
- the specified resonant frequency is a specified tolerance range below the resonant frequencies related to the first or second element, since in particular due to resonant excitation of the support structure or the connection, its resonant frequency can increase due to hardening, as a result of which the distance to the resonant frequencies of the target structures decreases, the resonant frequency but still within the tolerance range.
- a support can be provided between the first element and a further element or between the second element and a further element of the object.
- the support can preferably further increase the resonant frequencies of the resonant vibrations in relation to the first element or in relation to the second element and thus further increase their distance from the resonant frequency in relation to the support structure.
- the at least one support structure can be designed in such a way that its connection to the first and/or second element has a predetermined breaking point. If a predetermined breaking point is provided in a connection, i.e. at the transition from the support structure to the first or second element, then on the one hand the associated resonance frequency can be further reduced and on the other hand a weak point with a low load limit or with a low breaking limit can be installed at which the connection already breaks at Excitation with low resonance vibration amplitudes fails and dissolves.
- the predetermined breaking point can be designed, for example, in the form of a cross-sectional narrowing and/or a sharp edge.
- a cross-sectional narrowing can be formed, for example, by an hourglass shape or, for example, have a cone shape, the tip of which represents the cross-sectional narrowing.
- the predetermined breaking point can also be formed by an edge, which can make it easier to loosen the connection.
- the resonant vibrations of the elements without support structures can be determined on the basis of the object to be produced and the support structure can be designed in such a way that the at least one resonant vibration of the support structure vibration system has a resonant frequency in relation to the support structure that is lower than the lowest resonant frequency of the resonant vibrations of the elements of the object without support structures.
- such a determination of the resonant vibrations or the associated resonant frequencies of the elements of the object without support structures can be carried out, for example, by computer simulation or calculation based on the design drawings and data.
- a Fourier analysis of all frequencies in the object can be carried out by means of computer simulation or calculation.
- the resonant vibrations or the associated resonant frequencies of the elements of the object can be determined without support structures by measuring the resonant frequencies on a prototype.
- a prototype can be made with generic support structures and the support structures are then removed by hand.
- the resonance response of the object can be determined by recording using a sensor when the object is excited, for example with a frequency sweep.
- the resonance spectrum in the frequency domain can be determined from the resonance response using Fourier analysis.
- the support structure can now be designed and formed in such a way that its resonance frequency is below all resonance frequencies in the determined resonance spectrum of the object.
- several support structures can be provided in several support structure vibration systems in the object, and the resonant frequencies of the at least one resonant vibration of the support structure vibration system related to the respective support structure together form a frequency band. If several support structures are provided, which are designed in such a way that their resonant frequencies together form a frequency band, the reliability of the method can be further improved.
- the resonant frequencies in the frequency band can be resonantly excited together, for example, by excitation using an excitation frequency, so that the method can be significantly accelerated.
- the support structures can also be designed in such a way that their resonant frequencies are all in the frequency band below the resonant frequencies of the target structures. The risk of damage to target structures can thus be further reduced.
- a method according to one of claims 1 to 11 is carried out to release the at least one connection and to remove the support structure following the additive manufacturing of the object.
- FIG. 1 shows a schematic plan view of a device for removing a support structure from an object according to a first embodiment variant
- FIG. 2 shows a schematic plan view of a device according to a second embodiment variant
- FIG. 3a shows a schematic cross-sectional view of a support structure according to a first embodiment variant
- 3b shows a schematic cross-sectional view of a support structure according to a second embodiment variant
- 4a shows a schematic cross-sectional view of a support structure according to a third
- FIG. 4b shows a schematic cross-sectional view of a support structure according to a fourth
- FIG. 5a shows a schematic cross-sectional view of support structure according to a fifth
- FIG. 5b shows a schematic cross-sectional view of a support structure according to a sixth
- FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of a vibration system with two support structures according to a seventh embodiment variant
- FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view of a vibration system with a multiplicity of support structures according to further embodiment variants.
- FIG. 1 shows a device 100 for removing support structures 1 from an object 2 according to a first embodiment variant.
- a method 200 for removing the support structures 1 from the object 2 can be carried out according to the invention.
- Particular configurations of the method 200 result from the following description.
- the object 2 is produced by an additive manufacturing process, with at least one support structure 1 being provided in the object 2 between a first element 3 and a second element 4 of the object 2 .
- the support structure 1 has at least one connection 5 with the first element 3 and with the second element 4 and together with these forms a vibration system 6.
- Such vibration systems 6, 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7 (6, 6.1-6.7) with support structures 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 1.10, 1.11, 1.12, 1.13 (1, 1.1-1.13) between a first and second element 3, 4 are shown in detail in Figures 3a, 3b and 4-7. A detailed description of the figures mentioned is given below.
- the device 100 according to FIG. 1 has a base plate 7 on which the object 2 is provided in a central positioning area 8 and is mechanically coupled to the base plate 7 .
- the first element 3 and/or the second element 4 of the object 2 can either be a target structure (ie a structure that is not to be removed), or else the base plate 7 itself on which the object 2 is provided.
- the object 2 is an object 2 which was produced using an additive manufacturing process, for example using 3D printing or the like.
- the object 2 can either be provided after production in the positioning area 8 of the base plate 7 or be manufactured directly in the positioning area 8 of the base plate 7 , so that the base plate 7 can be seen as part of the object 2 .
- the base plate 7 can form the first element 3 of the object 2 itself.
- the object 2 is shown in FIG. 1 as a transparent contour with a large number of support structures 1, it being possible for the support structures 1 to be provided at any desired locations within the object 2.
- the device 100 has a plurality of actuators 10 which are mechanically coupled to the base plate 7 and can thus introduce mechanical excitation vibrations into the object 2 .
- the device 100 has an array of piezo actuators 11 in its lower edge area 9 of the base plate 7 .
- the piezoelectric actuators 11 can be used either as actuators 10 for initiating mechanical vibrations, or as sensors for measuring the resonance behavior or the resonance response of the object 2, depending on the control.
- the device 100 has a row consisting of eight electrodynamic actuators 12 in its upper edge area 9 of the base plate 7 .
- electrodynamic actuators 12 also referred to as "shakers" can also be used to introduce (predominantly low to medium frequency) excitation vibrations into the object 2 .
- the individual actuators 12 can generate excitation oscillations with different excitation frequencies independently of one another.
- the actuators 12 can also be controlled together in order to generate a single excitation oscillation with a specific excitation frequency.
- the imbalance actuators 13 are arranged on the base plate 7 in the left and right edge region 9, which in particular transmit low-frequency vibrations with high Amplitude in the object 2 can initiate.
- the imbalance actuators 13 each have an electric motor (in particular a servomotor with position detection), on whose shaft 14 a cross member 15 is attached, which was shown as an example for the left upper actuator 13 .
- An unbalanced weight 16 is provided on this cross member 15 and is preferably mounted such that it can be displaced along the cross member 15 .
- the cross member 15 can be set in rotation and after reaching a predetermined target speed, the imbalance weight 16 can be displaced outwards, so that a mechanical vibration is coupled into the base plate 7 due to the imbalance. By quickly reaching the speed and the subsequent generation of the imbalance, an excitation of undesired frequencies is further prevented.
- Unbalance actuators 13 are preferably suitable for excitations of approximately 0-400 Hz
- linear electrodynamic actuators 12 are preferably suitable for excitations of approximately 3-2000 Hz
- piezoelectric actuators 11 are preferably suitable for excitations of approximately 1 kHz-5 MHz.
- impulse generators can also be coupled to the base plate 7 in order to introduce a short, high impulse into the object 2 and thus a sudden release of the connections 5 between the support structure 1 and the first or second Item 3, 4 facilitate.
- the actuators 10 are connected to a controller 18 via lines 17 (in particular bus lines).
- lines 17 in particular bus lines.
- each actuator 10 can be separated from the controller 18 and controlled independently.
- the controller 18 is programmed in such a way that a desired excitation vibration with a predetermined excitation frequency is introduced into the object 2 and the vibration system 6 of the support structure 1 is excited there with a resonance vibration assigned to it. The initiation of the excitation vibrations takes place via appropriate activation of the actuators 10.
- the controller 18 is programmed in particular to carry out the method 200 described according to the embodiment variant.
- the controller 18 is further designed and programmed so that the piezo actuators 11 can also be used as piezo sensors.
- the controller 18 can switch between the operating modes as actuator 10 and sensor as desired.
- a part of the piezoelectric actuators 11 can also be used as sensors.
- the piezo actuators 11 are arranged equidistantly in a row along the entire side of the positioning area 8 of the base plate 7 .
- a parallel wave front can be emitted and the resonance behavior of the object 2 can be determined by measuring the vibration response using piezo sensors.
- the device 100 can be used to find resonators in the object 2 and to determine their resonant frequency.
- the piezo actuators 11 can very precisely record and analyze vibrations according to location, frequency and amplitude.
- the vibration properties such as the vibration quality, the resonance frequency and the directions of the vibration modes, can be determined for each location on the base plate 7 .
- the electrodynamic actuators 12 and the imbalance actuators 13 can also be used by the controller 18 to emit excitation vibrations with predetermined excitation frequencies.
- a mechanical excitation oscillation is thus generated and introduced into the object 2 by means of the actuators 10, which are connected to the base plate 7 and are thus mechanically coupled to the object 2.
- the mechanical excitation vibration is fed to the vibration system 6 consisting of the support structure 1 and the first and second element 3, 4, as well as the connections 5 between them, whereby the vibration system 6 is excited with an associated resonance vibration. Due to the deflection of the resonant vibration, the load limit is exceeded, in particular at the location of the connection 5 between the support structure 1 and the first or second element 3, 4, and the respective connection 5 is released.
- the deflection of the resonance vibration and thus of the connection 5 can at a point in time exceed the load limit at least at one point, with the connection 5 being released.
- the load limit is the breaking point in connection 5.
- the resonant vibration assigned to the vibration system 6 corresponds to the excitation of at least one natural mode of the vibration system 6.
- the natural modes of the vibration system 6 that are preferably to be excited represent, in particular, deformation vibrations of the support structure 1.
- the controller 18 has a measuring device 19 which is designed to measure the resonant frequency of the resonant vibration.
- the controller 18 also has a control device 20 on, which is designed to regulate the excitation frequency of the at least one excitation oscillation.
- the measuring device 19 can use the signals from the piezoelectric actuators 11 to measure the resonant frequencies, while the control device 20 controls the actuators 10 to generate the excitation vibration with an excitation frequency determined by the control device 20 .
- the measuring device 19 is connected to the control device 20 and the control device 20 is set up to adapt the excitation frequency as a function of the resonance frequency determined by the measuring device 19 .
- the control device 20 can be embodied as a control loop (PID) or phase-locked loop (PLL) in order in particular to track changes in the resonance frequency in the excitation frequency.
- PID control loop
- PLL phase-locked loop
- the signal form of the excitation oscillation can be determined by the controller 18 as a function of the support structures 1 to be removed or to be excited.
- the excitation oscillation can have a continuous sinusoidal oscillation at a predetermined excitation frequency in order to achieve cyclical excitation and charging of the resonance oscillation.
- the excitation oscillation can have a pulsed sinusoidal oscillation or a band noise or a frequency sweep.
- the method 200 can, for example, run in several passes, corresponding to item 2 in FIG. 1 .
- a first pass the support structures 1 shown vertically are broken off, with the support structures 1 shown horizontally remaining connected to the object 2 and holding or stabilizing it.
- a second pass the remaining support structures 1, which are shown horizontally, are then broken off.
- the device 100 hangs on the base plate 7 at four suspension points, in particular on its corners, which, however, is not shown in more detail in the figures.
- the suspension consists of 4 thin elastic ropes or cords (e.g. made of an elastomer).
- the resonant frequency of the suspension can be less than 1 Hz, preferably less than 0.5 Hz, particularly preferably less than 0.25 Hz.
- the length or tension of the suspension can also be adjusted by motorized, controllable winches in order to keep the device 100 horizontal.
- the entire device 100 is located in an evacuatable chamber, which, however, is also not shown in the figures. With that you can Need to be increased by reducing the air friction, the quality of the resonance vibrations.
- the actuators 10 are preferably designed for use in a vacuum.
- the chamber can be filled with a suitable gas, for example in order to optimize the quality of the resonance vibrations and the heat dissipation capability of the actuators 10 at the same time.
- a gas is used at a pressure that combines good thermal conductivity with low viscosity (eg, helium at less than atmospheric pressure).
- the object 2 can also be freely suspended or kept freely floating during the method 200 without the use of a device 100 .
- the actuators 10 can be attached directly to an element 3 , 4 or to a support structure 1 of the object 2 .
- the configurations of the method 200 described above can be converted accordingly.
- the device 101 is suitable for removing support structures 1 from an object 2 (in particular with particularly filigree target structures) which is immersed in a liquid.
- the device 101 has a base plate 7 on which the object 2 is provided in a positioning area 8 .
- actuators 10 in particular piezoelectric actuators 11 , are in turn arranged along one side of the base plate 7 .
- the actuators 10 or piezoelectric actuators 11 are in turn connected to a controller 18 via lines 17, but this is not shown in FIG. 2 for the sake of simplicity.
- a controller 18 For the configuration of the controller 18, reference is made to the above description of FIG.
- the device 101 also has vessel walls that hold the liquid within the device 101, which is not shown in detail in the figures.
- the device 101 is evacuated to a pressure slightly above the vapor pressure of the liquid to be used and then filled with the liquid covering the object 2 . Thereafter, the device 101 is vented again, filling the cavities of the object 2 with the liquid and avoiding the entrapment of air bubbles.
- the liquid can also not completely cover the object 2 .
- the support structures to be removed can preferably also protrude from the liquid in order to keep the quality of the resonance vibrations of the vibration system high.
- a plane wave (with infinite focus length) is then sent in one direction by means of suitable control of all piezo actuators 11, and after the wave has been emitted, the piezo actuators 11 are switched as sensors.
- the resonance response to the plane wave excitation is recorded by the sensors.
- a large number of waves can then be emitted in further directions and the steps described above can be repeated with different focal lengths, if necessary.
- a sonographic image of the support structures 1 in the object 2 can thus be obtained. Furthermore (in the course of this or in a separate step) the vibration quality of the support structures 1 can also be determined.
- the support structures 1 can be removed according to a method 200 .
- the support structures 1 are preferably designed to be as fine or filigree as possible, as permitted by the manufacturing process. In this way, despite the reduced quality of the resonant vibrations, the connections 5 can be easily released.
- 3a, 3b and 4-7 show schematic cross-sectional views of vibration systems 6, 6.1-6.7 with different support structures 1, 1.1-1.13 according to different embodiment variants.
- the support structures 1, 1.1-1.13 can be adapted or manufactured as part of a method 300 for the production of an object 2 in such a way that their resonance frequency in relation to the vibration system 6 is lower than the resonance frequencies of resonance vibrations in relation to the first or second element 3, 4.
- FIG 3a shows a vibration system 6 with a support structure 1 according to a first embodiment.
- the support structure 1 includes only one predetermined breaking point
- FIG. 3b shows a vibration system 6.1 with a support structure 1.1 according to a second embodiment variant.
- the support structure 1.1 contains two constrictions
- Both support structures 1 and 1.1 are designed to be rotationally symmetrical about the z-axis. At the constrictions 22, the leg 23 can thus be rotated along an axis of rotation 24 in the z-direction and linearly deflected along the horizontal axes (x, y). With multiple arrangement of the support structures 1 or 1.1 next to each other (e.g. to support an extensive area), the use of the support structure 1 (according to FIG. 3a) leads to a relatively stiff connection, while the use of the support structure 1.1 (according to FIG. 3b) leads to a mobility in the horizontal plane.
- excitation energy can be collected in the entire vibration system 6.1 over several vibrations, with the collected energy leading to a high deflection and thus to the breakage or loosening of the connections 5 and thus to the release of the target structures 3, 4.
- the design of the support structure 1.1 can thus contribute to easier, reliable removal of the same.
- FIG. 4a a vibration system 6.2 with a support structure 1.2 according to a third embodiment variant is shown, and according to FIG. 4b, a vibration system 6.3 with a support structure 1.3 according to a fourth embodiment variant.
- the support structures 1.2, 1.3 shown are designed as plates that extend along the y-direction.
- the support structures 1.2, 1.3 have constrictions 22 in their connection 5 to the first element 3, which are designed as grooves running along the y-axis on both sides of the support structures 1.2, 1.3.
- the support structure 1.2 in FIG. 4a has a wider flexure joint at its upper connection 5 to the second element 4, which is also formed by a groove-shaped constriction 22 running along the y-axis.
- the vibration system 6.2 can only be excited along the x-axis and enable a resonant deflection of the leg 23. Due to the high mass of the support structure 1.2 and the relatively stiff connection 5 to the second element 4, the resonant frequency in the vibration system 6.2 is significantly reduced.
- the support structure 1.3 in FIG. 4b has an alternative predetermined breaking point 21 at its upper connection 5 to the second element 4.
- FIG. The predetermined breaking point 21 is formed by three constrictions 22 arranged one behind the other in the x-direction, which in turn extend in the form of a groove along the y-axis.
- the central constriction 22 is located inside the connection 5 or the flexure joint.
- a support structure 1.3 as shown in FIG. 4b is particularly suitable when using building material with very high toughness, where a constriction 22 corresponding to the support structure 1.2 cannot exert sufficient deflection or force to exceed the breaking point of the connection 5.
- a constriction 22 corresponding to the support structure 1.2 cannot exert sufficient deflection or force to exceed the breaking point of the connection 5.
- FIG. 5a a vibration system 6.4 with a support structure 1.4 according to a fifth embodiment variant is shown, and according to FIG. 5b, a vibration system 6.5 with a support structure 1.5 according to a sixth embodiment variant is shown.
- the support structure 1.4 in FIG. 5a is basically based on the design of the support structure 1.1 shown in FIG. 3b. For a general description, reference is therefore made to the above description of FIG. 3b.
- the diameter of the leg 23 is significantly widened, which increases the mass of the support structure 1.4 and the moment of inertia of the leg 23 about the z-axis. Due to the increased mass, the resonant frequency in the vibration system 6.4 is lowered on the one hand and on the other hand the vibration system 6.4 can easily collect and store vibration energy due to the high inertia. In this way, the support structure 1.4 can be broken off when its resonant vibration is excited, even if the amplitude of the excitation vibration is low.
- the leg 23 can also have a square, triangular, hexagonal or other cross section.
- the support structure 1.5 shown in FIG. 5b is in turn designed similarly to the previously described support structure 1.4, although this is deliberately designed asymmetrically. This allows linear excitation vibrations to be converted into rotational vibrations (and vice versa if necessary). This is advantageous in many areas of application of the invention, since linear excitation oscillations can often be produced more easily by a device 100, 101 using the actuators 10.
- FIG. 6 shows a vibration system 6.6 with two support structures 1.6 according to a seventh embodiment variant of the invention.
- the support structures 1.6 are designed to be essentially comparable to the support structure 1.5 shown in FIG. 5b, which is why reference is made to the general description in this regard.
- the legs 23 have cantilevers 25 along the x-direction in order to obtain an asymmetrical shape of the leg 23. Through the cantilever 25, a lever is generated which at linear Excitation in the y-direction couples a strong rotational vibration of the support structures 1.6 along the axis of rotation 24 in the z-direction into the vibration system 6.6.
- the vibration system 6.6 has at least two vibration modes for the respective rotation of the support structures 1.6. With simultaneous excitation of the resonant vibrations of both vibration modes by one or more excitation vibrations, a substantially simultaneous removal of the support structures
- FIG. 7 shows a vibration system 6.7 consisting of several support structures 1.7-1.13.
- the configuration of the support structures 1.7-1.13 is based on the support structures 1.2, 1.3 shown in FIGS. 4a and 4b, which extend linearly (plate-like) along the y-direction.
- FIGS. 4a and 4b For a general description of the support structures 1.7-1.13, reference is made to the description of FIGS. 4a and 4b for the support structures 1.2, 1.3.
- the support structure 1.7 has two legs 23 which are separated by a linear groove-shaped constriction 22. In the case of linear excitation in the x-direction, the legs 23 can be deflected into a rotational vibration relative to one another with a rotational axis along the y-direction.
- the support structure 1.8 has three legs 23 arranged next to one another, which in turn are each separated by groove-shaped constrictions 22 along the y-axis.
- the support structure 1.8 can be excited at a higher resonant frequency than the support structure 1.7.
- the support structure 1.8 generates at least two vibration modes, one of which corresponds to a mutually opposite rotation of the legs 23 about the y-axis and the other corresponds to a uniform linear vibration of all three legs along the x-axis.
- the support structure 1.9 in turn represents a continuation of the principle from the support structures
- the support structure 1.10 differs from the support structure 1.7 in particular in that the constriction 22 at the upper connection 5 to the second element 4 differs from the other constrictions 22.
- the angle of the notch, which defines the constriction 22 and thus the predetermined breaking point 21, is more acute, which promotes the tearing and loosening of the connection 5 at this point.
- the design of the support structure 1.11 is strongly based on the support structure 1.3 shown in FIG. 4b.
- the support structure 1.11 has an inner constriction 22 in the upper connection 5 to the second element 4, which enables a particularly favorable and simplified tearing behavior at the predetermined breaking point 21 through a linear excitation vibration along the x-axis.
- the design of the support structure 1.12 combines the features of the support structures 1.11 and 1.6 from FIG. This creates a mechanical resonator with particularly favorable entry properties at the predetermined breaking point, which can be excited by linear excitation along the y-axis (or along the z-axis) in addition to the rotational vibrations that can be excited about the z-axis. These vibrations tend to first tear the predetermined breaking point 21 at an extreme point, i.e. at the beginning or at the end of the support structure 1.12 (along the y-axis), which further promotes the release of the connection 5 and thus enables an even gentler process.
- the support structure 1.13 is based on the support structure 1.12, with the arms 25 of the legs 23 being provided on both sides of the legs 23.
- the moment of inertia of the legs 23 is further increased both about the z-axis and about the y-axis.
- the connection 5 can be released at the predetermined breaking point 21 according to the invention even more gently (with lower excitation amplitudes).
- this requires an excitation in the x-direction and along the z-axis.
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Abstract
Vorrichtung zur Entfernung von Stützstrukturen (1, 1.1-1.13) aus einem Gegenstand (2), wobei der Gegenstand (2) ein durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellter Gegenstand (2) ist und wobei in dem Gegenstand (2) zumindest eine Stützstruktur (1, 1.1-1.13) zwischen einem ersten Element (3) und einem zweiten Element (4) des Gegenstands (2) vorgesehen ist, welche jeweils zumindest eine Verbindung (5) mit dem ersten Element (3) und zweiten Element (4) aufweist und zusammen mit diesen ein Schwingungssystem (6, 6.1-6.7) bildet, wobei die Vorrichtung (100, 101) zumindest einen mechanischen Aktuator (10) aufweist, welcher mit dem Gegenstand (2) zum Einleiten einer mechanischen Anregungsschwingung gekoppelt ist, und wobei die Vorrichtung (100, 101) eine mit dem zumindest einen Aktuator (10) gekoppelte Steuerung (18) aufweist, welche dazu programmiert ist, die Anregungsschwingung zu steuern und das Schwingungssystem (6, 6.1-6.7) mit zumindest einer ihr zugeordneten Resonanzschwingung derart anzuregen, dass zu zumindest einem Zeitpunkt die Auslenkung der Resonanzschwingung die Belastungsgrenze an zumindest einem Punkt im Schwingungssystem (6, 6.1-6.7) übersteigt, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (3) eine Sollstruktur oder eine Zwischenplatte ist und das zweite Element (4) des Gegenstands (2) eine Grundplatte (7) des Gegenstands (2) ist und dass die Vorrichtung (100, 101) mehrere mit der Steuerung (18) verbundene und mit dem Gegenstand (2) mechanisch gekoppelte Aktuatoren (10) aufweist, wobei die Steuerung (18) dazu programmiert ist, mehrere Anregungsschwingungen in den Gegenstand (2) einzuleiten, welche sich im Schwingungssystem (6, 6.1-6.7) zu der Resonanzschwingung überlagern, wobei zumindest einer der Aktuatoren (10) mit dem ersten Element (3) gekoppelt ist.
Description
Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von Stützstrukturen aus einem Gegenstand
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von Stützstrukturen aus einem Gegenstand, welcher durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt wurde und bei dem zumindest eine Stützstruktur zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element des Gegenstands vorgesehen ist und jeweils zumindest eine Verbindung mit diesen aufweist und bei dem die Stützstruktur zusammen mit dem ersten und zweiten Element ein Schwingungssystem bildet, wobei zumindest eine der Verbindungen durch Anregung des Schwingungssystems mittels mechanischer Schwingungen gelöst wird.
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes durch additive Fertigung, bei dem der Gegenstand zumindest ein erstes und ein zweites Element aufweist, die durch einen Freiraum voneinander beabstandet sind, und bei dem während der Fertigung jeweils zumindest eine Verbindung zwischen dem ersten Element bzw. dem zweiten Element und zumindest einer Stützstruktur vorgesehen werden und bei dem zumindest eine der Verbindungen im Anschluss an die additive Fertigung des Gegenstands durch Einbringen von mechanischen Schwingungen gelöst wird.
Stand der Technik
Im Rahmen von additiven Fertigungsverfahren, wie etwa 3d-Druck von Kunststoffen, Metallen oder Beton, Lasersintern, Auftragsschweißen, oder dgl., besteht oftmals die Notwendigkeit Stützstrukturen oder Hilfsstrukturen vorzusehen, etwa um freistehende oder überhängende Strukturen realisieren zu können. Ohne den Einsatz von entsprechenden Stützstrukturen könnten beispielsweise horizontale Elemente ohne darunterliegende Strukturen mittels 3d- Druck nicht realisiert werden.
Diese Stützstrukturen bzw. Hilfsstrukturen können weiters z.B. für den Wärmetransport und/oder für die mechanische Stützung, Stabilisierung oder Formgebung eingesetzt werden. Die Stützstrukturen werden dabei meist als letzter Bearbeitungsschritt entfernt, was aber insbesondere bei innenliegenden Strukturen oder bei sehr kleinen Strukturen oft nicht oder nur sehr begrenzt möglich ist.
Auch beim Schweißen/ Auftragsschweißen wird die Formgebung bzw. Formbeibehaltung gelegentlich durch Hilfsstrukturen ermöglicht bzw. erleichtert.
Am größten ist die Bedeutung von Stützstrukturen im 3d-Druck, wo der Einsatz von Stützstrukturen die Herstellbarkeit von Gegenständen bzw. Formen begrenzt. Die
Wirtschaftlichkeit der 3 d-Druck- Verfahren hängt auch maßgeblich von einer effizienten Entfernung der Stützstrukturen ab.
Im 3d-Druck, im Besonderen in seinem Teilbereich, der auf Verklebung oder Verschmelzung bzw. Sinterung von Material basiert, und im Speziellem bei Metall-basiertem 3d-Druck, spielen Stützstrukturen eine besonders große Rolle. Durch die hohen Temperaturen zum lokalen Aufschmelzen des Materials beim Lasersintem, treten insbesondere thermische Verspannungen in den Bauteilen bzw. Gegenständen auf. Um die daraus folgenden Verformungen zu unterdrücken, sind Stützstrukturen teilweise unumgänglich. Einerseits halten sie die aufbauenden Bauteile in Form und Position, anderseits sind sie für den Wärmetransport und Temperaturausgleich unumgänglich. Allerdings betragen die Arbeitskosten der Entfernung der Stützstrukturen in der Regel über die Hälfte der mit der Produktion verbundenen Arbeitskosten. Dadurch ist die Wirtschaftlichkeit eines solchen Fertigungsverfahrens stark eingeschränkt.
Im großformatigen 3d-Druck, vor allem im Bauwesen, spielt nach dem Stand der Technik die schwere Entfernbarkeit von Hilfsstrukturen ebenfalls eine die Herstellungskosten und die Effizienz des Verfahrens dominierende Rolle.
Beim Nano 3d-Druck (FEBID und FIBID) ist die Größe der herstellbaren Strukturen durch eine maximale Bauhöhe beschränkt, die nur durch den Einsatz von (gedruckten) Stützkonstruktionen erhöht werden kann.
Aus dem Stand der Technik ist etwa bekannt, solche Stützstrukturen durch manuelles Abtragen (z.B. mittels Schleifen, Sägen, Fräsen, Schmelzen und Herausschlagen, etc.) zu entfernen. Ein solches Abtragen ist jedoch durch den großen Arbeitsaufwand mit hohen Kosten verbunden. Zudem lassen sich manche sehr kleinen oder innenliegenden, bzw. schwer zugänglichen Stützstrukturen nur sehr schwer manuell entfernen.
Aus dem Stand der Technik (WO 2018/093958 Al) sind Verfahren zur Entfernung von Stützstrukturen aus 3d-gedruckten Gegenständen aus Metall („Selective Laser Sintering“) bekannt. Dabei werden während des Drucks Stützstrukturen eingesetzt, um etwa freihängende Bereiche zu unterstützen. Nach dem Drucken werden die Gegenstände dann zur Entfernung der Stützstrukturen mittels Ultraschall unter Einsatz einer Ultraschall-Vorrichtung behandelt, wobei der Gegenstand vollständig in einer Flüssigkeit eingetaucht ist. Dabei werden zur Entfernung der Stützstrukturen longitudinale Ultraschallwellen einer bestimmten Frequenz verwendet, wobei ein Ultraschall sensor an der Stützstruktur angebracht wird, welcher die Resonanz der Stützstruktur aufzeichnet, während das gesamte Bauteil mit den Ultraschallwellen beaufschlagt wird. Die Frequenz der Ultraschallwellen wird dabei so lange modifiziert, bis die maximale Resonanz der Stützstruktur gefunden wird, also die Resonanzfrequenz der Stützstruktur erreicht ist.
Ein derartiges Verfahren, welches eine Flüssigkeit als Übertragungsmedium verwendet, ohne weitere Gegenmaßnahmen zu ergreifen, leidet unter einer Serie von Nachteilen.
Allen voran reduziert die Flüssigkeit durch mechanische Dämpfung die Güte der Resonanzschwingungen der Stützstrukturen drastisch (die Güte wird dabei oftmals um einen Faktor von über 100, nicht selten auch um einen Faktor von weit über 1000, reduziert). Dies hat entscheidende Nachteile auf die Anregung der Resonanzschwingungen. Einerseits steigt bei stetiger Resonanzanregung die Amplitude entsprechend niedrig an, da gleichzeitig durch Dämpfung Energie aus dem Schwingungssystem abfließt, was die Effizienz des Verfahrens deutlich reduziert. Andererseits werden die zum Lösen der Verbindungen und Entfernen der Stützstrukturen benötigten Anregungsenergien sehr hoch, was wiederum zu einer Beschädigung anderer empfindlicher Sollstrukturen führt.
Bei Einsatz von Ultraschall können zudem Kavitationen auftreten, die feine Sollstrukturen beschädigen können, was die Einsatzfähigkeit des Verfahrens für sehr feine Strukturen reduziert. Des Weiteren ist man nur auf Longitudinalwellen beschränkt, wodurch das Spektrum an anregbaren Schwingungsmoden weiter eingeschränkt wird.
Des Weiteren kann die Flüssigkeit mit dem Material des Gegenstands unerwünschte chemische Wechselwirkungen hervorrufen und diesen beschädigen. Bei sehr großen Teilen ist das Positionieren in einem entsprechend großen Behälter unpraktisch und teuer bzw. sogar unmöglich.
Derartige Verfahren leiden somit grundsätzlich darunter, dass die Stützstrukturen kaum gezielt und selektiv zu Bruch gebracht werden können, ohne entsprechend andere empfindliche Strukturen des Bauteiles selbst zu beschädigen.
Offenbarung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Entfernung von Stützstrukturen aus einem Gegenstand, welcher durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt wurde, dahingehend zu verbessern, dass eine effiziente und sichere Entfernung der Stützstrukturen ermöglicht wird, ohne die Elemente des Gegenstands selbst zu beschädigen.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren zur Entfernung von Stützstrukturen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dargelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung betreffen die Entfernung von Stützstrukturen aus einem Gegenstand, welcher durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt wurde und bei dem zumindest eine Stützstruktur zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element des Gegenstands vorgesehen ist und jeweils zumindest eine Verbindung mit diesen aufweist und bei dem die Stützstruktur zusammen mit dem ersten und zweiten Element ein Schwingungssystem bildet. Gemäß dem Verfahren wird zumindest eine der Verbindungen durch Anregung des Schwingungssystems mittels mechanischer Schwingungen gelöst, wobei mittels zumindest eines Aktuators, welcher mit dem Gegenstand gekoppelt ist, zumindest eine mechanische Anregungsschwingung in diesen eingebracht und dem Schwingungssystem zugeleitet wird und das Schwingungssystem mit zumindest einer ihr zugeordneten Resonanzschwingung angeregt wird, um die zumindest eine Verbindung zu lösen, wobei zu zumindest einem Zeitpunkt die Auslenkung der Resonanzschwingung die Belastungsgrenze an zumindest einem Punkt im Schwingungssystem übersteigt, wobei das erste Element eine Sollstruktur oder eine Zwischenplatte ist und das zweite Element des Gegenstands eine Grundplatte des Gegenstands ist und der zumindest eine Aktuator mit dem ersten Element gekoppelt ist.
Als zumindest ein Punkt im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei eine Stelle räumlicher Ausdehnung bezeichnet, welche Teil des Gegenstands ist, und insbesondere durch eine räumliche Anordnung bzw. einen räumlichen Bereich von zusammengehörenden und angrenzenden Punkten im Gegenstand gebildet ist. Insbesondere befindet sich die Stelle in einer Verbindung zwischen einem ersten oder zweiten Element und einer Stützstruktur. In der Regel wird die Belastungsgrenze in einem Bereich von zusammengehörigen Punkten bzw. Stellen in der Verbindung überschritten, so dass die Verbindung zwischen Stützstruktur und erstem oder zweitem Element vollständig gelöst wird.
Indem zumindest eine mechanische Anregungsschwingung in den Gegenstand eingebracht wird und das Schwingungssystem durch die Anregungsschwingung mit einer Resonanzschwingung angeregt wird, kann eine hohe lokale Auslenkung bzw. Amplitude der Resonanzschwingung im Schwingungssystem erreicht werden. Insbesondere liegt die Frequenz der Anregungsschwingung dabei in der Nähe einer Resonanzfrequenz bzw. Eigenfrequenz des Schwingungssystems, um eine effiziente Anregung der Resonanzschwingung zu ermöglichen.
Durch Anregung der Resonanzschwingung mit einer Anregungsfrequenz (Frequenz der Anregungsschwingung), die im Wesentlichen einer Eigenfrequenz des Schwingungssystems entspricht, kann im Falle einer ausreichend hohen Güte Q bzw. geringen Dämpfung I) die Energie mehrerer Anregungsschwingungen in der Resonanzschwingung aufgesammelt werden. Hierdurch kommt es zu einer Resonanzüberhöhung der Resonanzschwingung und es können sehr hohe Auslenkungen bzw. Amplituden erreicht werden. Durch das kontinuierliche
Aufsammeln der Energie aus der Anregungsschwingung, weist die Resonanzschwingung vorzugsweise zumindest zu einem Zeitpunkt am Punkt der zu lösenden Verbindung die höchste Energiedichte im gesamten Gegenstand auf.
Übersteigt die Auslenkung bzw. Amplitude der Resonanzschwingung zu einem Zeitpunkt die Belastungsgrenze der Stützstruktur in zumindest einem Punkt im Gegenstand, insbesondere in einem Punkt der Verbindung, so kommt es infolge der aufgesammelten Energie aus der Anregungsschwingung zu einer Resonanzkatastrophe und die zumindest eine Verbindung zwischen der Stützstruktur und einem ersten oder zweiten Element des Gegenstands wird erfindungsgemäß gelöst.
In anderen Worten wird somit ein Verfahren zur Entfernung von Stützstrukturen aus einem Gegenstand gezeigt, welcher mittels eines additiven Herstellungsverfahrens, insbesondere eines Urformverfahren, bevorzugt eines 3 d-Druck- Verfahrens, besonders bevorzugt mittels eines 3 d-Druck- Verfahrens für Metalle, hergestellt wurde, wobei die Stützstrukturen durch mechanische Anregung entfernt bzw. aufgebrochen werden. Dazu wird Energie von mehreren Aktuatoren in Form von Anregungsschwingungen an die Stützstrukturen zugeleitet und in diesen aufgesammelt bzw. gespeichert, womit die Schwingungsamplitude in der Stützstruktur bis zum Bruch der Stützstruktur oder einer Verbindung der Stützstruktur gesteigert wird. Erfindungsgemäß übersteigt mindestens ein Schwingungsparameter (Auslenkung, Energie, etc.) an mindestens einer Stelle der zumindest einen aufzubrechenden Stützstruktur den entsprechenden Wert der Anregungsschwingung am Ort der Erzeugung oder Einkopplung in den Gegenstand. Dabei können die Anregungsschwingungen, deren Energie aufsummiert wird, von einem oder mehreren Aktuatoren stammen, was unter anderem die Anzahl der aufzusammelnden Schwingungen beeinflusst, bis die Überlastungsgrenze an einer Stelle der Stützstruktur erreicht ist.
Vorzugsweise weist das Schwingungssystem hinsichtlich der Resonanzschwingung eine Güte Q von größer gleich 1/2, insbesondere von größer gleich 2, besonders bevorzugt von größer gleich 10 auf.
Die Güte des Schwingungssystems ist entscheidend für die Fähigkeit der Resonanzschwingung Energie aus den Anregungsschwingungen aufzusammeln und somit ortsselektiv zu einer Resonanzüberhöhung der Amplitude zu führen. Die Güte Q wird dabei über die Dämpfung I) des Systems als Q = 1 / 2D definiert. Um eine hohe Güte in dem Schwingungssystem zu erreichen, muss das Schwingungssystem somit eine möglichst geringe Dämpfung aufweisen. Zur Dämpfung der Resonanzschwingung tragen dabei zahlreiche Einflussfaktoren bei, wie etwa das die Stützstruktur umgebende Medium, die Verbindungen zwischen Stützstruktur und erstem bzw. zweitem Element des Gegenstands, sowie weitere Schwingungssysteme im
Gegenstand mit hoher Güte. In weiterer Folge führt die Dämpfung ebenso zu einer Verschiebung und Verbreiterung der Resonanz, wobei sich die Eigenfrequenz der Resonanzschwingung bei Dämpfung gegenüber der ungedämpften Eigenfrequenz um den Faktor (1 -D2)m verschiebt.
Die Anregungsfrequenz der Anregungsschwingung wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung dabei so gewählt, dass eine ausreichend gute Anregung der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems erfolgt, eine resonante Anregung weiterer Schwingungssysteme in dem Gegenstand jedoch nicht stattfindet.
Als Schwingungssystem im Sinne der Erfindung wird das System aufweisend zumindest das erste und zweite Element, sowie die zu entfernende Stützstruktur im Gegenstand bezeichnet, wobei die Stützstruktur jeweils mittels zumindest einer Verbindung mit dem ersten und zweiten Element verbunden ist. Eine solche Verbindung kann etwa eine stoffschlüssige Verbindung sein, wie diese im Zuge eines additiven Fertigungsverfahrens ausgebildet wird. In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann eine solche Verbindung aber auch eine kraftschlüssige Verbindung sein, wobei bspw. die Stützstruktur zwischen erstem und zweitem Element eingeklemmt ist, oder ein Element auf der Stützstruktur auflastet.
Als Sollstrukturen werden jene Strukturen des Gegenstands bezeichnet, welche nach Entfernung sämtlicher temporärer Elemente, wie insbesondere den Stützstrukturen, in dem Gegenstand verbleiben. Eine Grundplatte kann etwa eine plane Fläche sein, auf welcher der Gegenstand gebildet wird, von der der Gegenstand nach Fertigstellung bzw. nach Durchführung des gegenständlichen Verfahrens wieder abgelöst wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich somit zur zuverlässigen und selektiven Entfernung aller Arten von Stützstrukturen, die zwischen beliebigen Elementen des Gegenstands temporär vorgesehen sind.
Ein Zwischenelement ist ein Element, das von der Sollstruktur und von einer Grundplatte durch Stützstrukturen beabstandet ist.
Insbesondere entspricht die dem Schwingungssystem zugeordnete Resonanzschwingung der Anregung zumindest einer Eigenmode des Schwingungssystems. Die zumindest eine Eigenmode des Schwingungssystems kann dabei bevorzugt eine Deformationsschwingung der Stützstruktur sein. Unter einer Deformationsschwingung kann dabei eine Biegeschwingung, eine Streckschwingung, eine Rotationsschwingung oder dgl. verstanden werden.
In einer Ausführungsform des erfmdungsgemäßen Verfahrens ist ein einzelner Aktuator mit dem ersten Element gekoppelt und bringt eine mechanische Anregungsschwingung in das erste Element ein, mit der er das erste Element in Resonanzschwingung versetzt, woraufhin der
Aktuator die Anregungsschwingung zu einer Gegenschwingung ändert und dadurch das Abbrechen der Stützstruktur unterstützt.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung können mehrere Aktuatoren mit dem ersten Element und optional dem zweiten Element gekoppelt sein und mehrere mechanische Anregungsschwingungen mit unterschiedlichen Anregungsfrequenzen einbringen. So kann jede der Anregungsschwingungen eine andere Resonanzschwingung und damit eine andere Eigenmode des Schwingungssystems anregen. Die Resonanzschwingungen des Schwingungssystems überlagern sich dabei zu einer resultierenden Gesamtschwingung, welche beispielsweise gleichzeitig eine Streckschwingung und eine Rotationsschwingung aufweisen kann. Durch die gleichzeitige Anregung mehrerer Resonanzschwingungen kann ein effizienteres Lösen der zumindest einen Verbindung der Stützstruktur erreicht werden, wobei die Amplituden der einzelnen Anregungsschwingungen reduziert werden können und so die Gefahr der Beschädigung von Sollstrukturen vermindert wird.
Bevorzugt stehen die Anregungsfrequenzen der mehreren Anregungsschwingungen dabei in keinem rationalen Verhältnis zueinander. Der Quotient der Anregungsfrequenzen ist dabei vorzugsweise eine irrationale Zahl, so dass eine Anregung derselben Resonanzschwingung durch mehrere Anregungsfrequenzen vermieden wird.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung können mehrere Aktuatoren mit dem Gegenstand gekoppelt sein und mehrere Anregungsschwingungen mit im Wesentlichen denselben Anregungsfrequenzen in den Gegenstand einbringen. Die Anregungsschwingungen können sich dabei vorzugsweise am Ort der Stützstruktur konstruktiv zu der Resonanzschwingung im Schwingungssystem überlagern, womit auf einfache Weise eine Erhöhung der Amplitude der Resonanzschwingung im Schwingungssystem erreicht und das Lösen der Verbindung weiter erleichtert werden kann. In einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest ein Aktuator an der Grundplatte des Gegenstands angebracht und weisen die Aktuatoren, die an dem ersten Element und an der Grundplatte angebracht sind, die gleiche oder eine ähnliche Anregungsfrequenz auf, wobei sich ähnliche Anregungsfrequenzen maximal um 10% bezogen auf die kleinere Anregungsfrequenz voneinander unterscheiden. Die Anregung durch die Aktuatoren soll synchron erfolgen, d.h. mit gleicher oder ähnlicher Phasenlage, wobei eine ähnliche Phasenlage einen Phasenunterschied von maximal 15° bedeutet.
Sind die Aktuatoren zudem an unterschiedlichen Orten mit dem Gegenstand gekoppelt, so kann die Zuverlässigkeit des Verfahrens weiter erhöht werden. Insbesondere wenn die Phasenverschiebung der in den Gegenstand eingebrachten Anregungsschwingungen derart angepasst wird, dass die Anregungsschwingungen am Ort der Stützstruktur dieselbe Phase
aufweisen und sich somit konstruktiv überlagern. Dabei kann die Anregung von anderen Strukturen oder Elementen im Gegenstand vermieden werden, da sich die Anregungsschwingungen nur an Punkten übereinstimmender Phase konstruktiv überlagern und sich im restlichen Bereich des Gegenstands gegenseitig auslöschen oder abschwächen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist zumindest ein Aktuator an einer Stützstruktur des Gegenstands angebracht. Durch das direkte Anbringen dieses Aktuators an einer Stützstruktur des Gegenstands kann die Effizienz der Kopplung zwischen Aktuator und Gegenstand und des Einleitens der Anregungsschwingungen in das Schwingungssystem verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der zumindest eine mechanische Aktuator unmittelbar bzw. direkt mechanisch mit dem Gegenstand gekoppelt, d.h. dass die mechanische Kopplung zwischen Aktuator und Gegenstand nicht über ein Fluid als indirektem Schwingungsüberträger erfolgt. Durch die direkte Einleitung der mechanischen Schwingungen über den Aktuator in den Gegenstand kann eine ungünstige Dämpfung durch ein eventuelles Fluid vermieden werden und so die Schwingungsgüte deutlich erhöht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante kann der Gegenstand während des Verfahrens frei aufgehängt oder frei schwebend gehalten werden. So können Dämpfungskomponenten in dem Schwingungssystem und ein Abfluss von Schwingungsenergie aus der Stützstruktur in die Dämpfung vermieden werden. Eine solche freie Aufhängung kann etwa durch Entkopplung des Gegenstands über elastische Puffer, Luftkissen, etc. oder über die Aufhängung mittels Federn, Seilen oder dgl. erfolgen. Ebenso ist vorstellbar, dass der Gegenstand bspw. magnetisch schwebend gehalten wird. Bevorzugt kann die Aufhängung dabei so ausgestaltet sein, dass die Resonanzfrequenzen der Aufhängung selbst in ausreichendem Abstand zu den Resonanzfrequenzen des Schwingungssystems der Stützstruktur liegen und somit durch die Anregungsschwingung keine resonante Anregung der Aufhängung erfolgt. Die erreichbare Güte der Resonanzschwingung im Schwingungssystem kann so zumindest 100, bevorzugt zumindest 1.000, besonders bevorzugt zumindest 10.000 betragen.
Weiters können, wenn die Aktuatoren über elektrische Leitungen mit einer Steuereinrichtung verbunden sind, diese elektrischen Leitungen derart ausgebildet sein, dass diese nur sehr geringe Dämpfung zu der Aufhängung hinzufügen. Dazu können die elektrischen Leitungen beispielsweise aus sehr dünnen Drähten aus flexiblen Litzen (bspw. geflochten Litzen) bestehen, oder in einer weiteren Ausführungsvariante die Steuereinrichtung direkt zusammen mit den Aktuatoren vorgesehen sein. Weiters könnten die Steuerung und die Aktuatoren mit kabellosen Energieversorgungen (bspw. mittels Batterien) versorgt werden, so dass keine
elektrischen Leitungen nach außen notwendig sind, die eine zusätzliche Dämpfung auf die Aufhängung ausüben. In wieder einer weiteren Ausführungsvariante kann die Steuerung mit den Aktuatoren kabellos kommunizieren (bspw. per Funk, per drahtlosem Netzwerk, per optischer Signalübertragung oder dergleichen).
In einer weiteren Ausführungsvariante kann zusätzlich zur Anregung des Schwingungssystems mit der zumindest einen Resonanzschwingung, ein mechanischer Impuls in die Grundplatte oder die Stützstruktur eingeleitet werden. Während die Resonanzschwingung einerseits über die Anregungsschwingung angeregt wird, kann der mechanische Impuls ebenso in die Resonanzschwingung einkoppeln und kurzfristig deren Amplitude erhöhen. Der Impuls kann beispielsweise mittels eines kurzen harten Schlags in den Gegenstand eingekoppelt werden und dort ein breites Frequenzspektrum mit hoher Amplitude anregen. Dabei kann die Auslenkung der Stützstruktur die Bruchgrenze in der Verbindung überschreiten und so ein plötzliches Lösen der Verbindung herbeiführen.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann die Resonanzfrequenz der Resonanzschwingung ermittelt werden und die Anregungsfrequenz der Anregungsschwingung in Abhängigkeit der ermittelten Resonanzfrequenz, insbesondere in einer Regelschleife (Regelkreis), angepasst werden. Durch kontinuierliche resonante Anregung des Schwingungssystems der Stützstruktur bzw. der zu lösenden Verbindung kann diese Verbindung infolge der Schwingungen verhärten. Durch die fortschreitende Verhärtung der Verbindung kommt es zu einer stetigen Verschiebung der Resonanzfrequenz der zugehörigen Resonanzschwingung, wodurch die Anregungsschwingung nachgeführt werden muss, um eine resonante Anregung der Resonanzschwingung bis zum Lösen der Verbindung sicherzustellen. So kann insbesondere verhindert werden, dass durch Verschiebung der Resonanzfrequenzen die Anregungsfrequenz statt des Stützstruktur-Schwingungssystems Sollstruktur- Schwingungssysteme resonant anregt und dabei Sollstrukturen beschädigt oder zerstört.
Die Resonanzfrequenz zumindest einer Resonanzschwingung des Schwingungssystems kann dabei kontinuierlich ermittelt werden, bspw. indem als Anregungsschwingung ein Frequenzsweep über die Aktuatoren in das Schwingungssystem eingebracht wird und die Frequenzantwort über Sensoren gemessen wird. Nach dem die Resonanzfrequenz der Resonanzschwingung ermittelt wurde, kann die Anregungsfrequenz dann auf die ermittelte Resonanzfrequenz festgelegt werden und das Verfahren wieder mit der Einleitung der Anregungsschwingung in die Stützstruktur fortgesetzt werden. Hierdurch kann stets eine möglichst effiziente Anregung der Resonanzschwingung des Schwingungssystems sichergestellt werden, um ein möglichst zielgerichtetes Lösen der zumindest einen Verbindung zwischen Stützstruktur und erstem und zweitem Element zu gewährleisten. Die Ermittlung der Resonanzfrequenz und anschließende Anpassung der Anregungsschwingung kann
vorzugsweise kontinuierlich in einer Regelschleife erfolgen, so dass das Verfahren auf Änderungen bzw. Verschiebungen der Resonanzfrequenz unmittelbar reagieren kann.
In einer besonderen Ausführungsvariante der Erfindung kann dabei als Regelschleife eine Phasenregelschleife (PLL - phase-locked loop) verwendet werden. Dabei wird die Phase der Anregungsschwingung stets an die Phase der Resonanzschwingung angepasst und dieser nachgeführt. Stimmen die Phasen der Anregungs- und Resonanzschwingung überein, so entspricht auch die Anregungsfrequenz der Resonanzfrequenz.
Die Anregungsschwingung kann in einer Ausführungsvariante als kontinuierliche Sinusschwingung mit einer bestimmten Anregungsfrequenz in das Stützstruktur- Schwingungssystem eingebracht werden. Hierdurch kann zwar eine gezielte Anregung von bestimmten Resonanzschwingungen erreicht werden, bei Verschiebungen der Resonanzfrequenz muss die Anregungsfrequenz allerdings nachgeführt werden, um eine Anregung der gewünschten Struktur weiterhin zu erreichen.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Anregungsschwingung auch eine gepulste Sinusschwingung aufweisen. Durch den zeitlich begrenzten Sinus-Puls kann insbesondere bei gleichzeitiger Verwendung mehrerer Aktuatoren die Orts-Selektivität der resonanten Anregung der Resonanzschwingung deutlich erhöht werden. Durch parallele Aussendung von Wellenpakten aus mehreren Aktuatoren, welche sich phasengleich und gleichzeitig am Ort der Stützstruktur überlagern, kann die Schwingungsenergie vorteilhafterweise ausschließlich ins Stützstruktur-Schwingungssystem eingetragen werden. Das Risiko der Beschädigung von Sollstrukturen wird zudem drastisch reduziert. Ein besonders effizientes und zuverlässiges Verfahren zur Entfernung von Stützstrukturen kann so bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante kann die Anregungsschwingung auch ein Bandrauschen aufweisen. Ein solches Bandrauschen kann sich beispielsweise im Frequenzspektrum als Gauß-Kurve mit Mittelwert bei der nominalen Anregungsfrequenz darstellen. Die Halbwertsbreite (FWHM) der Gauß-Kurve bzw. der Normalverteilung bestimmt dabei die Breite des Bandrauschens. Im Falle eines Terzrauschens entspricht die Breite beispielsweise einer Terz der Anregungsfrequenz bzw. des Mittelwerts. Die Verwendung eines Bandrauschens als Anregungsschwingung kann sich insbesondere durch eine geringere Anfälligkeit gegenüber Frequenzverschiebungen der Resonanzschwingung auszeichnen. So kann bspw. bei Verschiebung um die Halbwertsbreite noch immer eine Anregung mit der halben maximalen Anregungsamplitude erfolgen.
Gemäß wieder einer weiteren Ausführungsvariante kann die Anregungsschwingung einen Frequenzsweep aufweisen. Als Frequenzsweep wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schwingung mit sich zeitlich verändernder Frequenz verstanden, wobei die Änderung der
Frequenz beispielsweise linear (linearer Frequenzsweep), quadratisch, logarithmisch oder dgl. erfolgen kann. Durch die Verwendung eines Frequenzsweeps als Anregungsschwingung kann eine zeitliche Veränderung der Resonanzfrequenz insbesondere ohne weitere Regelungstechnik nachgefahren werden, wobei die Anregungsfrequenz kontinuierlich entsprechend des Frequenzsweeps steigt oder fällt. So kann beispielsweise durch Berechnung oder Simulation der prognostizierte Frequenzverlauf der Resonanzschwingung der Stützstruktur, welcher beispielsweise durch Verhärtung der zu lösenden Verbindung entsteht, und entsprechender Überlagerund des prognostizierten Frequenzverlaufs mit dem Frequenzsweep die Anregungsfrequenz immer in der Nähe der Resonanzfrequenz gehalten werden. Der Frequenzsweep kann dabei bei einer Ausgangsfrequenz starten und sich stetig zu einer Endfrequenz hin verändern.
Die zuvor erwähnten Ausführungsvarianten zur Anregungsfrequenz können auch beliebig miteinander kombiniert werden. So kann beispielsweise ein linearer Frequenzsweep mit einer kontinuierlichen Sinusschwingung kombiniert werden. Ebenso kann der Frequenzsweep aber auch mit einer gepulsten Sinusschwingung aus mehreren Aktuatoren kombiniert werden, wobei alle zeitliche getakteten und in ihrer Phase ausgerichteten gepulsten Sinusschwingungen entsprechend dem Frequenzsweep kontinuierlich in ihrer Anregungsfrequenz verändert werden. Ebenso ist auch vorstellbar, dass der Frequenzsweep mit einem Bandrauschen oder mit einer gepulsten Sinusschwingung mit überlagertem Bandrauschen kombiniert wird.
Die Erfindung hat sich weiters die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zur Entfernung von Stützstrukturen der eingangs erwähnten Art effizienter und kostengünstiger zu gestalten.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, die zumindest einen mechanischen Aktuator aufweist, welcher mit dem 3 -dimensionalen Gegenstand gekoppelt ist, um eine mechanische Anregungsschwingung einzuleiten, wobei die Vorrichtung eine mit dem zumindest einen Aktuator gekoppelte Steuerung aufweist, welche dazu programmiert ist, die Anregungsschwingung zu steuern und das Schwingungssystem mit zumindest einer ihr zugeordneten Resonanzschwingung derart anzuregen, dass zu zumindest einem Zeitpunkt die Auslenkung der Resonanzschwingung die Belastungsgrenze an zumindest einem Punkt im Schwingungssystem übersteigt, wobei das erste Element des Gegenstands eine Sollstruktur oder eine Zwischenplatte ist und das zweite Element eine Grundplatte des Gegenstands ist. Die Vorrichtung weist mehrere mit der Steuerung verbundene und mit dem Gegenstand mechanisch gekoppelte Aktuatoren auf, wobei die Steuerung dazu programmiert ist, mehrere Anregungsschwingungen in den Gegenstand einzuleiten, welche sich im Schwingungssystem zu der Resonanzschwingung überlagern, wobei zumindest einer der Aktuatoren mit dem ersten Element gekoppelt ist.
Der Aktuator ist dabei vorzugsweise direkt mit dem Gegenstand koppelbar, so dass die mechanische Anregungsschwingung aus dem Aktuator direkt dem Schwingungssystem zugeleitet werden kann, um die Resonanzschwingung anzuregen. Die Steuerung der Vorrichtung ist derart programmiert, dass insbesondere die Frequenz und/oder die Phase und/oder die Amplitude der Anregungsschwingung gesteuert werden kann. Hierbei kann stets sichergestellt werden, dass die Resonanzschwingung des Schwingungssystems angeregt wird, wobei die Resonanzschwingung durch eine Schwingungsmode der Deformationsschwingung der Verbindung zwischen Stützstruktur und erstem oder zweitem Element des Gegenstands gebildet ist. Die Anregungsschwingung wird dabei so über die Steuerung gesteuert, dass die Auslenkung dieser Resonanzschwingung zu einem Zeitpunkt die Belastungsgrenze an einem Punkt im Schwingungssystem, insbesondere die Belastungsgrenze der Verbindung, übersteigt und so die Verbindung erfindungsgemäß gelöst wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann die Vorrichtung mehrere mit der Steuerung verbundene und mit dem Gegenstand mechanisch gekoppelte Aktuatoren aufweisen. Die Steuerung der Vorrichtung ist dabei vorzugsweise dazu programmiert, mehrere Anregungsschwingungen gleichzeitig in den Gegenstand einzuleiten, welche sich im Schwingungssystem zu der Resonanzschwingung überlagern. Eine solche Überlagerung der Anregungsschwingungen kann, wie oben für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben, am Ort der zu lösenden Verbindung der Stützstruktur eine Resonanzschwingung mit sehr hoher Amplitude erzeugen, die ein leichteres und zuverlässigeres Lösen der Verbindung ermöglicht.
In einer alternativen Ausführungsform ist ein einzelner Aktuator mit dem ersten Element gekoppelt, um eine mechanische Anregungsschwingung in das erste Element einzubringen, mit der der Aktuator das erste Element in Resonanzschwingung versetzt, woraufhin der Aktuator gesteuert wird die Anregungsschwingung zu einer Gegenschwingung zu ändern und dadurch das Abbrechen der Stützstruktur zu unterstützen.
Die Vorrichtung kann gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung eine Grundplatte aufweisen, mit welcher der zumindest eine Aktuator starr verbunden und direkt gekoppelt ist. Auf der Grundplatte kann der Gegenstand mit der zu entfernenden Stützstruktur positioniert werden, womit eine direkte und effiziente Einleitung der Anregungsschwingung in das Schwingungssystem ermöglicht wird. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Grundplatte ebenso zur Fertigung des Gegenstands verwendet werden. Der Gegenstand wird dabei mittels eines additiven Fertigungsverfahrens (wie bspw. 3d-Druck) direkt auf der Grundplatte samt der Stützstruktur angefertigt. Durch gezielte Steuerung des Aktuators mittels der Steuerung der Vorrichtung kann im Anschluss an die Fertigung die Stützstruktur gezielt und effizient ohne weitere Vorbereitungsschritte entfernt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung können die mehreren mechanischen Aktuatoren entlang zumindest einer Seite der Grundplatte angeordnet sein. Vorzugsweise weist die Grundplatte einen umlaufenden Randbereich und einen mittigen Positionierbereich auf, wobei der Positionierbereich zur Aufnahme des Gegenstands ausgebildet ist und die mechanischen Aktuatoren im Randbereich der Grundplatte angeordnet sind. Eine besonders vielseitig und flexibel einsetzbare Vorrichtung kann so bereitgestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsvariante können die mechanischen Aktuatoren als Piezoaktuatoren ausgebildet sein, welche kraftschlüssig mit dem Gegenstand gekoppelt sind. Piezoaktuatoren können sich insbesondere für das Einbringen von höherfrequenten Anregungsschwingungen in den Gegenstand eignen.
In wieder einer weiteren Ausführungsvariante können die mechanischen Aktuatoren als elektrodynamische Aktuatoren ausgebildet sein, welche eine elektrodynamisch linear schwingende Masse aufweisen. Der elektrodynamische Aktuator kann dabei ähnlich einem Lautsprecher bzw. einem Bass-Shaker (Körperschallwandler) zur Erzeugung von niederfrequenten Schwingungen ausgeführt sein. Zudem können solche Aktuatoren, wie auch Piezoaktuatoren, mehrere Frequenzen weitgehend unabhängig voneinander gleichzeitig aussenden.
In wieder einer weiteren Ausführungsvariante können die mechanischen Aktuatoren als elektrodynamische Aktuatoren ausgebildet sein, welche eine elektrodynamisch rotierbare Masse und/oder Unwucht aufweisen. Durch die rotierbare Masse bzw. Unwucht wird wiederum eine Anregungsschwingung in den damit kraftschlüssig gekoppelten Gegenstand eingebracht. Solche elektrodynamischen Aktuatoren eignen sich im Besonderen für das Einbringen von mittel- bis niederfrequenten Anregungsschwingungen in den Gegenstand mit besonders hohem Wirkungsgrad.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Vorrichtung einen Impulsgenerator aufweisen. Ein solcher Impulsgenerator kann durch einen harten Schlag mit hohem Impuls eine zusätzliche Anregung auf den Gegenstand ausüben, die zusätzlich zu der Anregungsschwingung zu einem plötzlichen Lösen der Verbindung beitragen kann.
Gemäß einer Ausführungsvariante weist die Steuerung eine Messeinrichtung zur Messung der Resonanzfrequenz der Resonanzschwingung und eine Regeleinrichtung zur Regelung der Anregungsfrequenz der zumindest einen Anregungsschwingung auf. Die Messeinrichtung ist dabei mit der Regeleinrichtung verbunden und die Regeleinrichtung ist dazu eingerichtet, die Anregungsfrequenz in Abhängigkeit der Resonanzfrequenz anzupassen. So kann die Vorrichtung zuverlässig auf Änderungen in der Resonanzfrequenz, beispielsweise durch
Verhärtung der zu lösenden Verbindung in Folge der Anregung, reagieren und die Anregungsfrequenz der Anregungsschwingung entsprechend anpassen.
Die Regeleinrichtung kann in einer Variante eine Regelschleife aufweisen, welcher beispielsweise als Phasenregelschleife (PLL - „phase-locked loop“) ausgebildet sein kann. Die Regelschleife bzw. die Phasenregelschleife kann zuverlässig die Anregungsschwingung derart anpassen, dass diese im Wesentlichen immer mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt.
Die Steuerung der Vorrichtung ist zudem vorzugsweise dazu programmiert, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Die Erfindung hat sich weiters die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands mittels additiver Fertigung der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, welches eine zuverlässige Herstellung eines Gegenstands unter Verwendung von Stützstrukturen und die anschließende Entfernung dieser Stützstrukturen ermöglicht.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Stützstruktur während der additiven Fertigung derart ausgebildet wird, dass ein Schwingungssystem bestehend aus erstem und zweitem Element und der Stützstruktur gebildet wird, wobei das Schwingungssystem zumindest eine Resonanzschwingung bezogen auf die Stützstruktur aufweist, deren vorgegebene Resonanzfrequenz niedriger ist als die Resonanzfrequenzen von Resonanzschwingungen bezogen auf das erste oder zweite Element.
Weist das Schwingungssystem eine Resonanzschwingung auf, deren Resonanzfrequenz niedriger ist als die Resonanzfrequenzen bezogen auf Resonanzschwingungen des ersten oder zweiten Elements, so kann auf zuverlässige Weise eine resonante Anregung von anderen als der zu entfernenden Strukturen vermieden werden. Insbesondere kann dabei gewährleistet werden, dass durch resonante Anregung nur die Verbindung zwischen der zu entfernenden Stützstruktur und dem ersten oder zweiten Element gelöst wird und die restlichen Sollstrukturen des Gegenstands nicht beschädigt werden.
Vorzugsweise ist dabei die vorgegebene Resonanzfrequenz der Resonanzschwingung bezogen auf die Stützstruktur niedriger als die Resonanzfrequenzen bezogen auf das erste oder zweite Element. Durch die niedrigere Frequenz wird die Wahrscheinlichkeit für eine resonante Anregung anderer Sollstrukturen im Gegenstand weiter vermindert. Insbesondere liegt die vorgegebene Resonanzfrequenz um einen vorgegebenen Toleranzbereich unterhalb der Resonanzfrequenzen bezogen auf das erste oder zweite Element, da insbesondere durch resonante Anregung der Stützstruktur bzw. der Verbindung deren Resonanzfrequenz durch Verhärtung ansteigen kann, wodurch der Abstand zu den Resonanzfrequenzen der Sollstrukturen abnimmt, die Resonanzfrequenz aber weiterhin im Toleranzbereich liegt. Ein
besonders zuverlässiges Verfahren zur Fertigung von Gegenständen kann so bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann zwischen erstem Element und einem weiteren Element oder zwischen zweitem Element und einem weiteren Element des Gegenstands eine Abstützung vorgesehen sein. Die Abstützung kann dabei vorzugsweise die Resonanzfrequenzen der Resonanzschwingungen bezogen auf das erste Element bzw. bezogen auf das zweite Element weiter erhöhen und so deren Abstand zu der Resonanzfrequenz bezogen auf die Stützstruktur weiter vergrößern.
In einer Ausführungsvariante kann die zumindest eine Stützstruktur derart ausgebildet sein, dass deren Verbindung zum ersten und/oder zweiten Element eine Sollbruchstelle aufweist. Ist eine Sollbruchstelle in einer Verbindung, also am Übergang von Stützstruktur zu erstem oder zweitem Element, vorgesehen, so kann einerseits die zugehörige Resonanzfrequenz weiter verringert werden und andererseits ein Schwachpunkt mit geringer Belastungsgrenze bzw. mit geringer Bruchgrenze eingebaut werden, an welchem die Verbindung bereits bei Anregung mit geringen Resonanzschwingungs-Amplituden versagt und sich löst.
Die Sollbruchstelle kann dabei beispielsweise in Form einer Querschnittsveijüngung und/oder einer scharfen Kante ausgebildet sein. Eine Querschnittsveijüngung kann etwa durch eine Sanduhr-Form gebildet sein oder beispielsweise eine Kegel-Form aufweisen, dessen Spitze die Querschnittsverjüngung darstellt. Alternativ kann die Sollbruchstelle auch durch eine Kante gebildet sein, welche ein Lösen der Verbindung erleichtern kann.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante können anhand des herzustellenden Gegenstands die Resonanzschwingungen der Elemente ohne Stützstrukturen ermittelt werden und die Stützstruktur derart ausgebildet werden, dass die zumindest eine Resonanzschwingung des Stützstruktur-Schwingungssystems bezogen auf die Stützstruktur eine Resonanzfrequenz aufweist, die geringer ist als die niedrigste Resonanzfrequenz der Resonanzschwingungen der Elemente des Gegenstands ohne Stützstrukturen.
In einer Ausführungsvariante kann eine solche Ermittlung der Resonanzschwingungen bzw. der zugehörigen Resonanzfrequenzen der Elemente des Gegenstands ohne Stützstrukturen beispielsweise durch Computersimulation oder Kalkulation anhand der Konstruktionszeichnungen und -daten erfolgen. Mittels Computersimulation bzw. Kalkulation kann dabei eine Fourier- Analyse sämtlicher Frequenzen in dem Gegenstand erfolgen.
In einer Alternativen Ausführungsvariante kann die Ermittlung der Resonanzschwingungen bzw. der zugehörigen Resonanzfrequenzen der Elemente des Gegenstands ohne Stützstrukturen durch Messung der Resonanzfrequenzen an einem Prototyp erfolgen. Dabei kann
beispielsweise ein Prototyp mit generischen Stützstrukturen gefertigt werden und anschließend die Stützstrukturen per Hand entfernt werden. Danach kann die Resonanzantwort des Gegenstands durch Aufzeichnung mittels eines Sensors bei Anregung des Gegenstands bspw. mit einem Frequenzsweep bestimmt werden. Aus der Resonanzantwort kann mittels Fourier- Analyse das Resonanzspektrum im Frequenzraum ermittelt werden.
Anhand des erhaltenen Resonanzspektrums des Gegenstands ohne Stützstrukturen kann die Stützstruktur nun so entworfen und ausgebildet werden, dass ihre Resonanzfrequenz unter allen Resonanzfrequenzen im ermittelten Resonanzspektrum des Gegenstands liegt.
In einer weiteren Ausführungsvariante können mehrere Stützstrukturen in mehreren Stützstruktur-Schwingungssystemen in dem Gegenstand vorgesehen werden, und die Resonanzfrequenzen der zumindest einen Resonanzschwingung des Stütz struktur- Schwingungssystems bezogen auf die jeweilige Stützstruktur gemeinsam ein Frequenzband ausbilden. Werden mehrere Stützstrukturen vorgesehen, die derart ausgebildet sind, dass deren Resonanzfrequenzen gemeinsam ein Frequenzband ausbilden, so kann die Zuverlässigkeit des Verfahrens weiter verbessert werden. Die Resonanzfrequenzen in dem Frequenzband können beispielsweise gemeinsam durch Anregung mittels einer Anregungsfrequenz resonant angeregt werden, so dass das Verfahren deutlich beschleunigt werden kann. Vorteilhafterweise können die Stützstrukturen weiters so ausgebildet sein, dass deren Resonanzfrequenzen allesamt in dem Frequenzband unterhalb der Resonanzfrequenzen der Sollstrukturen liegen. Damit kann das Risiko der Beschädigung von Sollstrukturen weiter reduziert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung wird zum Lösen der zumindest einen Verbindungen und zur Entfernung der Stützstruktur im Anschluss an die additive Fertigung des Gegenstands ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgeführt.
Kurzbeschreibung der Figuren
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Entfernung einer Stützstruktur aus einem Gegenstand gemäß einer ersten Ausführungsvariante,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsvariante,
Fig. 3a eine schematische Querschnittsansicht einer Stützstruktur gemäß einer ersten Ausführungsvariante,
Fig. 3b eine schematische Querschnittsansicht einer Stützstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsvariante,
Fig. 4a eine schematische Querschnittsansicht einer Stützstruktur gemäß einer dritten
Ausführungsvariante,
Fig. 4b eine schematische Querschnittsansicht einer Stützstruktur gemäß einer vierten
Ausführungsvariante,
Fig. 5a eine schematische Querschnittsansicht Stützstruktur gemäß einer fünften
Ausführungsvariante,
Fig. 5b eine schematische Querschnittsansicht Stützstruktur gemäß einer sechsten
Ausführungsvariante,
Fig. 6 eine schematische Querschnittsansicht eines Schwingungssystems mit zwei Stützstrukturen gemäß einer siebten Ausführungsvariante, und
Fig. 7 eine schematische Querschnittsansicht eines Schwingungssystems mit einer Vielzahl von Stützstrukturen gemäß weiteren Ausführungsvarianten.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die im Folgenden konkret beschriebenen Ausführungsvarianten der Erfindung sind lediglich als exemplarische Ausführungsvarianten anzusehen und sind nicht als einschränkend für den Schutzumfang, wie dieser gemäß den Ansprüchen definiert ist, anzusehen.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 100 zur Entfernung von Stützstrukturen 1 aus einem Gegenstand 2 gemäß einer ersten Ausführungsvariante gezeigt. Anhand der Vorrichtung 100 kann erfindungsgemäß ein Verfahren 200 zur Entfernung der Stützstrukturen 1 aus dem Gegenstand 2 ausgeführt werden. Besondere Ausgestaltungen des Verfahrens 200 ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Der Gegenstand 2 ist dabei durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt, wobei in dem Gegenstand 2 zumindest eine Stützstruktur 1 zwischen einem ersten Element 3 und einem zweiten Element 4 des Gegenstands 2 vorgesehen ist. Die Stützstruktur 1 weist jeweils zumindest eine Verbindung 5 mit dem ersten Element 3 und mit dem zweiten Element 4 auf und bildet zusammen mit diesen ein Schwingungssystem 6. Solche Schwingungssysteme 6, 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7 (6, 6.1-6.7) mit Stützstrukturen 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 1.10, 1.11, 1.12, 1.13 (1, 1.1-1.13) zwischen einem ersten und zweiten Element 3, 4 sind im Detail in den Figuren 3a, 3b und 4-7 dargestellt. Eine ausführliche Beschreibung zu den genannten Figuren ist weiter unten gegeben.
Die Vorrichtung 100 gemäß Fig. 1 weist dabei eine Grundplatte 7 auf, auf welcher der Gegenstand 2 in einem mittigen Positionierbereich 8 vorgesehen ist und mit der Grundplatte 7 mechanisch gekoppelt ist.
Das erste Element 3 und/oder das zweite Element 4 des Gegenstands 2 können wahlweise eine Sollstruktur sein (also eine Struktur die nicht entfernt werden soll), oder aber auch die Grundplatte 7 selbst, auf der der Gegenstand 2 vorgesehen ist.
Bei dem Gegenstand 2 handelt es sich um einen Gegenstand 2, welcher durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt wurde, also beispielsweise durch 3d-Druck oder dergleichen. Der Gegenstand 2 kann dabei wahlweise nach der Herstellung im Positionierbereich 8 der Grundplatte 7 vorgesehen werden, oder direkt im Positionierbereich 8 der Grundplatte 7 gefertigt werden, womit die Grundplatte 7 als Teil des Gegenstands 2 gesehen werden kann. So kann in einer Ausführungsvariante die Grundplatte 7 beispielsweise das erste Element 3 des Gegenstands 2 selbst bilden. Nach Abschluss des Verfahrens 200, also nach Entfernung der Stützstrukturen 2 kann der Gegenstand 2 wieder von der Grundplatte 7 entfernt bzw. gelöst werden.
Der Gegenstand 2 ist in Fig. 1 als transparente Kontur mit einer Vielzahl von Stützstrukturen 1 dargestellt, wobei die Stützstrukturen 1 dabei an beliebigen Stellen innerhalb des Gegenstands 2 vorgesehen sein können.
In einem umlaufenden Randbereich 9 der Grundplatte 7 weist die Vorrichtung 100 mehrere Aktuatoren 10 auf, welche mit der Grundplatte 7 mechanisch gekoppelt sind und so mechanische Anregungsschwingungen in den Gegenstand 2 einleiten können.
Die Vorrichtung 100 weist dabei in ihrem unteren Randbereich 9 der Grundplatte 7 ein Array von Piezoaktuatoren 11 auf. Die Piezoaktuatoren 11 können dabei wahlweise je nach Ansteuerung als Aktuatoren 10 zum Einleiten von mechanischen Schwingungen, oder als Sensoren zum Messen des Resonanzverhaltens bzw. der Resonanzantwort des Gegenstands 2 eingesetzt werden.
Weiters weist die Vorrichtung 100 in ihrem oberen Randbereich 9 der Grundplatte 7 eine Reihe bestehend aus acht elektrodynamischen Aktuatoren 12 auf. Solche elektrodynamische Aktuatoren 12 (auch als „Shaker“ bezeichnet) können ebenso zur Einleitung von (vorwiegend nieder- bis mittelfrequenten) Anregungsschwingungen in den Gegenstand 2 eingesetzt werden. Die einzelnen Aktuatoren 12 können dabei in einer Ausführungsvariante unabhängig voneinander Anregungsschwingungen mit verschiedenen Anregungsfrequenzen erzeugen. In einer weiteren Ausführungsvariante können die Aktuatoren 12 auch gemeinsam angesteuert werden, um eine einzelne Anregungsschwingung mit einer bestimmten Anregungsfrequenz zu erzeugen.
Des Weiteren sind auf der Grundplatte 7 im linken und rechten Randbereich 9 jeweils zwei Unwuchtaktuatoren 13 angeordnet, die insbesondere niederfrequente Schwingungen mit hoher
Amplitude in den Gegenstand 2 einleiten können. Die Unwuchtaktuatoren 13 weisen dabei jeweils einen Elektromotor (insbesondere einen Servomotor mit Positionserfassung) auf, an dessen Welle 14 ein Querträger 15 angebracht ist, was exemplarisch für den linken oberen Aktuator 13 dargestellt wurde. An diesem Querträger 15 ist ein Unwuchtgewicht 16 vorgesehen, welches vorzugsweise entlang des Querträgers 15 verschiebbar gelagert ist. Vorzugsweise kann der Querträger 15 dabei in Rotation versetzt werden und nach Erreichen einer vorgegebenen Solldrehzahl das Unwuchtgewicht 16 nach außen verlagert werden, so dass eine mechanische Schwingung durch die Unwucht in die Grundplatte 7 eingekoppelt wird. Durch das schnelle Erreichen der Drehzahl und der nachträglichen Erzeugung der Unwucht, wird eine Anregung ungewünschter Frequenzen weiter unterbunden.
Die unterschiedlichen Aktuatoren 10 weisen dabei unterschiedliche Frequenzbänder auf, in denen sie besonders vorteilhaft funktionieren. So sind Unwuchtaktuatoren 13 bevorzugt für Anregungen von etwa 0 - 400 Hz, lineare elektrodynamische Aktuatoren 12 bevorzugt für Anregungen von etwa 3 - 2000 Hz, und Piezoaktuatoren 11 bevorzugt für Anregungen von etwa 1 kHz - 5 MHz geeignet.
In einer weiteren Ausführungsvariante, welche in den Figuren nicht näher dargestellt ist, können auch Impulsgeneratoren mit der Grundplatte 7 gekoppelt sein, um einen kurzen hohen Impuls in den Gegenstand 2 einzuleiten und somit ein plötzliches Lösen der Verbindungen 5 zwischen Stützstruktur 1 und erstem bzw. zweitem Element 3, 4 erleichtern.
Wie in Fig. 1 weiter gezeigt, sind die Aktuatoren 10 über Leitungen 17 (insbesondere Busleitungen) mit einer Steuerung 18 verbunden. Insbesondere im Falle von Busleitungen als Leitungen 17, kann jeder Aktuator 10 von der Steuerung 18 getrennt und eigenständig angesteuert werden. Die Steuerung 18 ist dabei so programmiert, dass eine gewünschte Anregungsschwingung mit einer vorgegebenen Anregungsfrequenz in den Gegenstand 2 eingeleitet wird und dort das Schwingungssystem 6 der Stützstruktur 1 mit einer ihr zugeordneten Resonanzschwingung angeregt wird. Die Einleitung der Anregungsschwingungen erfolgt dabei über entsprechende Ansteuerung der Aktuatoren 10.
Die Steuerung 18 ist insbesondere dazu programmiert, dass das gemäß der Ausführungsvariante beschriebene Verfahren 200 auszuführen.
Die Steuerung 18 ist weiter dazu ausgebildet und programmiert, dass die Piezoaktuatoren 11 auch als Piezosensoren verwendet werden können. Dabei kann die Steuerung 18 zwischen den Betriebsmodi als Aktuator 10 und Sensor beliebig umschalten. So kann auch wahlweise ein Teil der Piezoaktuatoren 11 als Sensoren verwendet werden.
Wie in Fig. 1 dargestellt, sind die Piezoaktuatoren 11 äquidistant in einer Reihe entlang der gesamten Seite des Positionierbereichs 8 der Grundplatte 7 angeordnet. Durch parallele Ansteuerung der Piezoaktuatoren 11 zum Aussenden von Schwingungen mit gleicher Phase, kann eine parallele Wellenfront ausgesendet werden und das Resonanzverhalten des Gegenstands 2 durch Messung der Schwingungsantwort mittels Piezosensoren bestimmt werden. So kann sich die Vorrichtung 100 zum Auffinden von Resonatoren in dem Gegenstand 2 und zur Bestimmung deren Resonanzfrequenz verwendet werden. Die Piezoaktuatoren 11 können im Modus als Sensor Schwingungen nach Ort, Frequenz und Amplitude sehr genau aufnehmen und analysieren. Dadurch können bei bekannter Anregung für jeden Ort der Grundplatte 7 die Schwingungseigenschaften, wie etwa die Schwingungsgüte, die Resonanzfrequenz sowie die Richtungen der Schwingungsmodi bestimmt werden.
Die elektrodynamischen Aktuatoren 12 und die Unwuchtaktuatoren 13 können ebenso durch die Steuerung 18 zum Aussenden von Anregungsschwingungen mit vorgegebenen Anregungsfrequenzen verwendet werden.
Im Rahmen des Verfahrens 200 wird somit mittels der Aktuatoren 10, die mit der Grundplatte 7 verbunden sind und so mit dem Gegenstand 2 mechanisch gekoppelt sind, eine mechanische Anregungsschwingung erzeugt und in den Gegenstand 2 eingebracht. Die mechanische Anregungsschwingung wird dem Schwingungssystem 6 bestehend aus Stützstruktur 1 und erstem und zweitem Element 3, 4, sowie den Verbindungen 5 zwischen diesen, zugeleitet, womit das Schwingungssystem 6 mit einer zugehörigen Resonanzschwingung angeregt wird. Durch die Auslenkung der Resonanzschwingung wird insbesondere am Ort der Verbindung 5 zwischen Stützstruktur 1 und erstem oder zweitem Element 3, 4 die Belastungsgrenze überschritten und die jeweilige Verbindung 5 gelöst.
Durch Aussendung der Anregungsschwingung von den Aktuatoren 10 und Anregung einer Resonanzschwingung des Schwingungssytems 6, kann die Auslenkung der Resonanzschwingung und somit der Verbindung 5 zu einem Zeitpunkt die Belastungsgrenze an zumindest einem Punkt übersteigen, wobei die Verbindung 5 gelöst wird. Insbesondere ist die Belastungsgrenze dabei die Bruchgrenze in der Verbindung 5.
Die dem Schwingungssystem 6 zugeordnete Resonanzschwingung entspricht dabei der Anregung von zumindest einer Eigenmode des Schwingungssystems 6. Die dabei bevorzugt anzuregenden Eigenmoden des Schwingungssystems 6 stellen insbesondere Deformationsschwingungen der Stützstruktur 1 dar.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet, weist die Steuerung 18 eine Messeinrichtung 19 auf, welche zur Messung der Resonanzfrequenz der Resonanzschwingung ausgebildet ist. Die Steuerung 18 weist zudem eine Regeleinrichtung 20
auf, die zur Regelung der Anregungsfrequenz der zumindest einen Anregungsschwingung ausgebildet ist. Die Messeinrichtung 19 kann dabei die Signale aus den Piezoaktuatoren 11 zur Messung der Resonanzfrequenzen verwendet werden, während die Regeleinrichtung 20 die Aktuatoren 10 zur Erzeugung der Anregungsschwingung mit einer durch die Regeleinrichtung 20 bestimmten Anregungsfrequenz ansteuert. Die Messeinrichtung 19 ist mit der Regeleinrichtung 20 verbunden und die Regeleinrichtung 20 ist dazu eingerichtet, die Anregungsfrequenz in Abhängigkeit der von der Messeinrichtung 19 ermittelten Resonanzfrequenz anzupassen. Die Regeleinrichtung 20 kann gemäß einer Ausführungsvariante als Regelschleife (PID) oder Phasenregelschleife (PLL) ausgebildet sein, um insbesondere Veränderungen der Resonanzfrequenz in der Anregungsfrequenz nachzuführen.
Die Signalform der Anregungsschwingung kann von der Steuerung 18 in Abhängigkeit von den zu entfernenden bzw. der anzuregenden Stützstrukturen 1 bestimmt werden. So kann die Anregungsschwingung etwa eine kontinuierliche Sinusschwingung bei einer vorgegebenen Anregungsfrequenz aufweisen, um eine zyklische Anregung und Aufladung der Resonanzschwingung zu erreichen. Ebenso kann die Anregungsschwingung eine gepulste Sinusschwingung oder ein Bandrauschen oder auch einen Frequenzsweep aufweisen. Durch diese Signalformen bzw. beliebigen Kombinationen davon, kann beispielsweise eine Anregung und Messung der Resonanzschwingungen simultan erfolgen.
Das Verfahren 200 kann beispielsweise, entsprechend dem Gegenstand 2 in Fig. 1, in mehreren Durchgängen ablaufen. So werden in einem ersten Durchgang die vertikal dargestellten Stützstrukturen 1 abgebrochen, wobei die horizontal abgebildeten Stützstrukturen 1 mit dem Gegenstand 2 verbunden bleiben und diesen halten bzw. stabilisieren. In einem zweiten Durchgang werden dann die noch verbleibenden horizontal abgebildeten Stützstrukturen 1 abgebrochen.
Die Vorrichtung 100 hängt während der Ausführung des Verfahrens 200 an vier Aufhängungspunkten an der Grundplatte 7, insbesondere an deren Ecken, was in den Figuren jedoch nicht näher dargestellt wurde. Die Aufhängung besteht dabei aus 4 dünnen elastischen Seilen bzw. Schnüren (bspw. aus einem Elastomer). Die Resonanzfrequenz der Aufhängung kann dabei in einem bevorzugten Fall weniger als 1 Hz, bevorzugt weniger als 0,5 Hz, besonders bevorzugt weniger als 0,25 Hz betragen. Die Länge bzw. Spannung der Aufhängung kann dabei zusätzlich durch motorisierte, regelbare Winden angepasst werden, um die Vorrichtung 100 waagrecht zu halten.
Die gesamte Vorrichtung 100 befindet sich gemäß einer weiteren Ausführungsvariante in einer evakuierbaren Kammer, was in den Figuren jedoch ebenso nicht dargestellt ist. Damit kann bei
Bedarf durch Verringerung der Luftreibung die Güte der Resonanzschwingungen erhöht werden. Die Aktuatoren 10 sind dabei bevorzugt für den Einsatz im Vakuum ausgelegt. In einer alternativen Ausführungsvariante kann die Kammer mit einem geeigneten Gas gefüllt werden, z.B. um gleichzeitig die Güte der Resonanzschwingungen und die Wärmeabfuhrfähigkeit der Aktuatoren 10 zu optimieren. Dazu wird z.B. ein Gas bei einem Druck verwendet, das gute Wärmeleitfähigkeit mit geringer Viskosität verbindet (z.B. Helium bei weniger als Atmosphärendruck).
In alternativen Ausführungsvarianten, die in den Figuren nicht näher dargestellt wurden, kann der Gegenstand 2 auch ohne den Einsatz einer Vorrichtung 100 während des Verfahrens 200 frei aufgehängt oder frei schwebend gehalten werden. Die Aktuatoren 10 können dabei direkt an einem Element 3, 4 oder an einer Stützstruktur 1 des Gegenstands 2 angebracht sein. Die zuvor beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens 200 können dabei entsprechend umgelegt werden.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 101 zur Durchführung des Verfahrens 200. Die Vorrichtung 101 eignet sich dabei für die Entfernung von Stützstrukturen 1 von einem Gegenstand 2 (insbesondere mit besonders filigranen Sollstrukturen), welcher in einer Flüssigkeit eingetaucht ist. Die Vorrichtung 101 weist dazu eine Grundplatte 7 auf, auf der der Gegenstand 2 in einem Positionierbereich 8 vorgesehen ist. In einem Randbereich 9 der Grundplatte 7 sind wiederum Aktuatoren 10, insbesondere Piezoaktuatoren 11, entlang einer Seite der Grundplatte 7 angeordnet.
Die Aktuatoren 10 bzw. Piezoaktuatoren 11 sind wiederum über Leitungen 17 mit einer Steuerung 18 verbunden, was der Einfachheit halber in Fig. 2 jedoch nicht dargestellt wurde. Für die Ausgestaltung der Steuerung 18 wird auf die obige Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen.
Die Vorrichtung 101 weist dabei zudem Gefäßwände auf, die die Flüssigkeit innerhalb der Vorrichtung 101 halten, was in den Figuren jedoch nicht näher dargestellt ist. Die Vorrichtung 101 wird auf einen Druck leicht über dem Dampfdruck der einzusetzenden Flüssigkeit evakuiert und danach mit der Flüssigkeit befüllt, welche den Gegenstand 2 abdeckt. Danach wird die Vorrichtung 101 wieder belüftet, wobei die Hohlräume des Gegenstands 2 mit der Flüssigkeit gefüllt werden und das Einschließen von Luftblasen vermieden wird.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Flüssigkeit den Gegenstand 2 auch nicht vollständig bedecken. Vorzugsweise können die zu entfernenden Stützstrukturen auch aus der Flüssigkeit herausragen, um die Güte der Resonanzschwingungen des Schwingungssystems hoch zu halten.
Danach wird mittels geeigneter Ansteuerung aller Piezoaktuatoren 11 eine ebene Welle (mit unendlicher Fokuslänge) in eine Richtung losgeschickt, und nach dem Aussenden der Welle die Piezoaktuatoren 11 als Sensoren geschaltet. Die Resonanzantwort auf die Anregung mit der ebenen Welle wird mittels der Sensoren aufgenommen. Anschließend können eine Vielzahl von Wellen in weiteren Richtungen ausgesandt werden und die vorher beschriebenen Schritte gegebenenfalls mit unterschiedlichen Fokuslängen wiederholt werden. Damit kann ein sonographisches Bild der Stützstrukturen 1 im Gegenstand 2 erhoben werden. Des Weiteren kann (im Zuge dessen oder in einem separaten Schritt) ebenso die Schwingungsgüte der Stützstrukturen 1 bestimmt werden.
Das Entfernen der Stützstrukturen 1 kann, wie bereits für Fig. 1 beschrieben, gemäß einem Verfahren 200 durchgeführt werden.
Im Falle der Vorrichtung 101, in der die Stützstrukturen 1 in einer Flüssigkeit eingetaucht werden, werden die Stützstrukturen 1 bevorzugt so fein bzw. filigran wie möglich ausgeführt, wie es das Fertigungsverfahren erlaubt. So kann trotz der verringerten Güte der Resonanzschwingungen ein einfaches Lösen der Verbindungen 5 ermöglicht werden.
In den Figuren 3a, 3b und 4-7 sind schematische Querschnittsansichten von Schwingungssystemen 6, 6.1-6.7 mit unterschiedlichen Stützstrukturen 1, 1.1-1.13 gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten dargestellt.
Die Stützstrukturen 1, 1.1-1.13 können dabei im Rahmen eines Verfahrens 300 zur Herstellung eines Gegenstands 2 derart angepasst bzw. hergestellt werden, dass deren Resonanzfrequenz bezogen auf das Schwingungssystem 6 niedriger ist als die Resonanzfrequenzen von Resonanzschwingungen bezogen auf das erste oder zweite Element 3, 4.
In Fig. 3a ist ein Schwingungssystem 6 mit einer Stützstruktur 1 gemäß einer ersten Ausführungsvariante dargestellt. Die Stützstruktur 1 beinhaltet dabei nur eine Sollbruchstelle
21, die zwischen den Verbindungen 5 zu erstem und zweitem Element 3, 4 vorgesehen ist.
In Fig. 3b ist ein Schwingungssystem 6.1 mit einer Stützstruktur 1.1 gemäß einer zweiten Ausführungsvariante dargestellt. Dabei beinhaltet die Stützstruktur 1.1 zwei Einschnürungen
22, die Festkörpergelenke und/oder Sollbruchstellen 21 darstellen, und dazwischen einen Schenkel 23, der die Resonanzbewegung und -Auslenkung der Stützstruktur 1.1 zwischen den Sollstrukturen 3, 4 ermöglicht, die zum Lösen der Verbindungen 5 führen kann.
Beide Stützstrukturen 1 und 1.1 sind dabei um die z-Achse rotationssymmetrisch ausgeführt. An den Einschnürungen 22 ist der Schenkel 23 somit entlang einer Drehachse 24 in z-Richtung drehbar, sowie entlang den horizontalen Achsen (x, y) linear auslenkbar.
Bei mehrfacher Anordnung der Stützstrukturen 1 bzw. 1.1 nebeneinander (etwa zur Unterstützung einer ausgedehnten Fläche), führt die Verwendung der Stützstruktur 1 (gemäß Fig. 3a) zu einer relativ steifen Verbindung, während die Verwendung der Stützstruktur 1.1 (gemäß Fig. 3b) eine Beweglichkeit in der horizontalen Ebene zulässt. So kann in dem gesamten Schwingungssystem 6.1 über mehrere Schwingungen hinweg Anregungsenergie aufgesammelt werden, wobei die aufgesammelte Energie zu einer hohen Auslenkung und somit zum Bruch bzw. Lösen der Verbindungen 5 und damit zur Freisetzung der Sollstrukturen 3, 4 führt. Die Ausgestaltung der Stützstruktur 1.1 kann somit zu einer einfacheren zuverlässigen Entfernung derselben beitragen.
Gemäß Fig. 4a ist ein Schwingungssystem 6.2 mit einer Stützstruktur 1.2 gemäß einer dritten Ausführungsvariante und gemäß Fig. 4b ein Schwingungssystem 6.3 mit einer Stützstruktur 1.3 gemäß einer vierten Ausführungsvariante dargestellt.
Die dargestellten Stützstrukturen 1.2, 1.3 sind dabei als Platten, die sich entlang der y-Richtung erstrecken, ausgebildet. Die Stützstrukturen 1.2, 1.3 weisen dabei in ihrer Verbindung 5 zum ersten Element 3 hin Einschnürungen 22 auf, welche als entlang der y-Achse verlaufende Nuten zu beiden Seiten der Stützstrukturen 1.2, 1.3 ausgebildet sind.
Die Stützstruktur 1.2 in Fig. 4a weist an ihrer oberen Verbindung 5 zum zweiten Element 4 ein breiteres Festkörpergelenk auf, welches ebenfalls durch eine entlang der y-Achse verlaufende nutförmige Einschnürung 22 gebildet ist. Das Schwingungssystem 6.2 kann in diesem Fall nur entlang der x-Achse angeregt werden und eine resonante Auslenkung des Schenkels 23 ermöglichen. Durch die hohe Masse der Stützstruktur 1.2 und die relativ Steife Verbindung 5 zum zweiten Element 4 wird die Resonanzfrequenz im Schwingungssystem 6.2 deutlich verkleinert.
Die Stützstruktur 1.3 in Fig. 4b weist an ihrer oberen Verbindung 5 zum zweiten Element 4 eine alternative Sollbruchstelle 21 auf. Die Sollbruchstelle 21 ist dabei durch drei in x-Richtung hintereinander angeordnete Einschnürungen 22 gebildet, die sich wiederum nutförmig entlang der y-Achse erstrecken. Dabei liegt die mittlere Einschnürung 22 im Inneren der Verbindung 5 bzw. des Festkörpergelenks. Hierdurch wird durch eine Auslenkung des Schenkels 23 in x- Richtung eine Drehung um die y-Achse induziert, welche eine sehr große Druck- bzw. Zugkraft auf die Sollbruchstelle 21 ausübt und somit ein Lösen der Verbindung 5 erheblich erleichtert.
Eine wie in Fig. 4b dargestellte Stützstruktur 1.3 eignet sich insbesondere bei der Verwendung von Baumaterial mit sehr hoher Zähigkeit, wo eine Einschnürung 22 entsprechend der Stützstruktur 1.2 nicht genügend Auslenkung bzw. Kraft ausüben kann, um die Bruchgrenze der Verbindung 5 zu überschreiten. Durch die innere Einschnürung 22 in der Stützstruktur 1.3 können die Drehpunkte entlang der y-Richtung und entlang der z-Richtung aus der Mitte des
Schenkels 23 herausbewegt werden und so der auf die Sollbruchstelle 21 wirkende Hebel erhöht werden.
Gemäß Fig. 5a ist ein Schwingungssystem 6.4 mit einer Stützstruktur 1.4 gemäß einer fünften Ausführungsvariante und gemäß Fig. 5b ein Schwingungssystem 6.5 mit einer Stützstruktur 1.5 gemäß einer sechsten Ausführungsvariante dargestellt.
Die Stützstruktur 1.4 in Fig. 5a ist prinzipiell in ihrer Ausgestaltung an die in Fig. 3b gezeigte Stützstruktur 1.1 angelehnt. Für eine allgemeine Beschreibung wird somit auf die obige Beschreibung zu Fig. 3b verwiesen. Allerdings ist der Schenkel 23 dabei in seinem Durchmesser deutlich verbreitert, wodurch die Masse der Stützstruktur 1.4 und das Trägheitsmoment des Schenkels 23 um die z-Achse erhöht werden. Durch die erhöhte Masse wird einerseits die Resonanzfrequenz im Schwingungssystem 6.4 erniedrigt und andererseits kann das Schwingungssystem 6.4 durch die hohe Trägheit gut Schwingungsenergie aufsammeln und speichern. Damit kann die Stützstruktur 1.4 bei Anregung ihrer Resonanzschwingung selbst bei geringen Amplituden der Anregungsschwingung abgebrochen werden. Der Schenkel 23 kann in alternativen Ausführungsvarianten auch einen quadratischen, dreiecksförmigen, sechseckigen oder sonstigen Querschnitt aufweisen.
Die in Fig. 5b gezeigte Stützstruktur 1.5 ist wiederum ähnlich zur zuvor beschriebenen Stützstruktur 1.4 ausgeführt, allerdings ist diese dabei bewusst asymmetrisch ausgeführt. Damit können lineare Anregungsschwingungen in eine Rotationsschwingung (und bei Bedarf umgekehrt) umgesetzt werden. Dies ist in vielen Anwendungsbereichen der Erfindung von Vorteil, da lineare Anregungsschwingungen oft leichter durch eine Vorrichtung 100, 101 mittels der Aktuatoren 10 herstellbar sind.
Darüber hinaus ist im Fall von linearen Anregungen die Summe aller Beschleunigungen in jedem Punkt des Gegenstands 2 (näherungsweise) konstant, während die Beschleunigung bei Rotationsbewegungen vom Abstand zum Rotationspunkt bzw. zur Rotationsachse abhängt, was an exponierten Stellen zu ungewünschten beschleunigungsbedingten Beschädigungen von Sollstrukturen führen kann. Durch die Verwendung von linearen Anregungen kann ein zuverlässigeres Verfahren 200 bzw. 300 geschaffen werden.
Fig. 6 zeigt ein Schwingungssystem 6.6 mit zwei Stützstrukturen 1.6 gemäß einer siebten Ausführungsvariante der Erfindung. Die Stützstrukturen 1.6 sind dabei im Wesentlichen vergleichbar wie die in Fig. 5b gezeigte Stützstruktur 1.5 ausgeführt, weshalb auf die allgemeine Beschreibung hierzu verwiesen wird. Im Unterschied zur Stützstruktur 1.5 weisen die Schenkel 23 Ausleger 25 entlang der x-Richtung auf, um eine asymmetrische Form des Schenkels 23 zu erhalten. Durch die Ausleger 25 wird ein Hebel erzeugt, welcher bei linearer
Anregung in y-Richtung eine starke Rotationsschwingung der Stützstrukturen 1.6 entlang der Drehachse 24 in z-Richtung in das Schwingungssystem 6.6 einkoppelt.
Durch die Rotationsschwingung (Drehpendelbewegung) wird eine starke Belastung der Einschnürungen 22 an den Verbindungen 5 erzielt, die schnell zum Abriss und Lösen der Verbindungen 5 führen kann. Das Schwingungssystem 6.6 weist dabei zumindest zwei Schwingungsmoden zur jeweiligen Rotation der Stützstrukturen 1.6 auf. Bei gleichzeitiger Anregung der Resonanzschwingungen beider Schwingungsmoden durch eine oder mehrere Anregungsschwingungen kann ein im Wesentlichen simultanes Entfernen der Stützstrukturen
1.6 erfolgen.
In Fig. 7 ist ein Schwingungssystem 6.7 bestehend aus mehreren Stützstrukturen 1.7-1.13 gezeigt. Die Ausgestaltung der Stützstrukturen 1.7-1.13 lehnt sich dabei an die in Fig. 4a und Fig. 4b gezeigten Stützstrukturen 1.2, 1.3 an, die sich linear (plattenförmig) entlang der y- Richtung erstrecken. Für eine allgemeine Beschreibung zu den Stützstrukturen 1.7-1.13 wird somit auf die Beschreibung zu den Fig. 4a und 4b für die Stützstrukturen 1.2, 1.3 verwiesen.
Die Stützstruktur 1.7 weist dabei zwei Schenkel 23 auf, die durch eine lineare nutförmige Einschnürung 22 getrennt sind, auf. Bei linearer Anregung in x-Richtung können die Schenkel 23 in eine Rotationschwingung zueinander mit einer Rotationsachse entlang der y-Richtung ausgelenkt werden.
Die Stützstruktur 1.8 weist dagegen drei aneinander angeordnete Schenkel 23 auf, die wiederum jeweils durch nutförmige Einschnürungen 22 entlang der y-Achse getrennt sind. Die Stützstruktur 1.8 kann gegenüber der Stützstruktur 1.7 mit einer höheren Resonanzfrequenz angeregt werden. Die Stützstruktur 1.8 erzeugt dabei zumindest zwei Schwingungsmoden, wobei eine einer gegengleichen Rotation der Schenkel 23 um die y-Achse zueinander entspricht und die andere einer gleichförmigen linearen Schwingung aller drei Schenkel entlang der x- Achse entspricht.
Die Stützstruktur 1.9 stellt wiederum eine Weiterführung des Prinzips aus den Stützstrukturen
1.7 und 1.8 dar und weist vier durch Einschnürungen 22 miteinander verbundene Schenkel 23 auf. Dabei können wiederum mehrere Schwingungsmoden erzeugt werden, wobei die Resonanzfrequenz weiter erhöht werden kann.
Dieses Prinzip hat ist allem bei der Entfernung von Stützstrukturen aus Beton vorteilhaft. Hierbei können die Stützstrukturen beim Abbrechen in kleine handhabbare Blöcke zerbrochen werden, welche leicht entfernt und wiederverwendet oder entsorgt werden können.
Die Stützstruktur 1.10 unterscheidet sich von der Stützstruktur 1.7 insbesondere dadurch, dass die Einschnürung 22 an der oberen Verbindung 5 zum zweiten Element 4 hin sich von den anderen Einschnürungen 22 unterscheidet. Der Winkel der Einkerbung, die die Einschnürung 22 und somit die Sollbruchstelle 21 definiert ist spitzer, was den Einriss und ein Lösen der Verbindung 5 an dieser Stelle begünstigt.
Die Stützstruktur 1.11 ist in ihrer Ausgestaltung stark an die in Fig. 4b dargestellte Stützstruktur 1.3 angelehnt. Dabei weist die Stützstruktur 1.11 eine innere Einschnürung 22 in der oberen Verbindung 5 zum zweiten Element 4 auf, was ein besonders günstiges und vereinfachtes Einreißverhalten an der Sollbruchstelle 21 durch eine lineare Anregungsschwingung entlang der x-Achse ermöglicht.
Die Stützstruktur 1.12 vereint in ihrer Ausgestaltung die Merkmale der Stützstrukturen 1.11 und 1.6 aus Fig. 6. Dabei weist jeder der beiden Schenkel 23 einen Ausleger 25 auf. So wird ein mechanischer Resonator mit besonders günstigen Einreiseigenschaften an der Sollbruchstelle geschaffen, der zusätzlich zu den um die z-Achse anregbaren Rotationsschwingungen auch durch eine lineare Anregung entlang der y-Achse (oder entlang der z-Achse) anregbar ist. Diese Schwingungen neigen dazu, die Sollbruchstelle 21 an einem Extrempunkt, also am Anfang oder am Ende der Stützstruktur 1.12 (entlang der y-Achse) zuerst einzureißen, was das Lösen der Verbindung 5 weiter begünstigt und somit ein noch schonenderes Verfahren ermöglicht.
Die Stützstruktur 1.13 beruht schließlich auf der Stützstruktur 1.12, wobei die Ausleger 25 der Schenkel 23 auf beiden Seiten der Schenkel 23 vorgesehen sind. Das Trägheitsmoment der Schenkel 23 wird dabei sowohl um die z-Achse, als auch um die y-Achse weiter erhöht. Damit kann das erfmdungsmäßige Lösen der Verbindung 5 an der Sollbruchstelle 21 noch schonender (mit niedrigeren Anregungsamplituden) durchgeführt werden. Allerdings ist dazu eine Anregung in x-Richtung und entlang der z-Achse nötig.
Claims
1. Verfahren zur Entfernung von Stützstrukturen (1, 1.1-1.13) aus einem Gegenstand (2), welcher durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt wurde und bei dem zumindest eine Stützstruktur (1, 1.1-1.13) zwischen einem ersten Element (3) und einem zweiten Element (4) des Gegenstands (4) vorgesehen ist und jeweils zumindest eine Verbindung (5) mit diesen aufweist und bei dem die Stützstruktur (1, 1.1-1.13) zusammen mit dem ersten und zweiten Element (3, 4) ein Schwingungssystem (6, 6.1-6.7) bildet, wobei zumindest eine der Verbindungen (5) durch Anregung des Schwingungssystems (6, 6.1-6.7) mittels mechanischer Schwingungen gelöst wird, wobei mittels zumindest eines Aktuators, welcher mit dem Gegenstand (2) gekoppelt ist, zumindest eine mechanische Anregungsschwingung in diesen eingebracht und dem Schwingungssystem (6, 6.1-6.7) zugeleitet wird, und das
Schwingungssystem (6, 6.1-6.7) mit zumindest einer ihr zugeordneten Resonanzschwingung angeregt wird, um die zumindest eine Verbindung (5) zu lösen, wobei zu zumindest einem Zeitpunkt die Auslenkung der Resonanzschwingung die Belastungsgrenze an zumindest einem Punkt im Schwingungssystem (6, 6.1-6.7) übersteigt, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (3) eine Sollstruktur oder eine Zwischenplatte ist und das zweite Element (4) des Gegenstands (2) eine Grundplatte (7) des Gegenstands (2) ist und der zumindest eine Aktuator (10) mit dem ersten Element (3) gekoppelt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Schwingungssystem (6, 6.1-6.7) zugeordnete Resonanzschwingung der Anregung zumindest einer Eigenmode des Schwingungssystems (6, 6.1-6.7) entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Eigenmode des Schwingungssystems (6, 6.1-6.7) eine Deformationsschwingung der Stützstruktur (1, 1.1-1.13) ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzelner Aktuator (10) mit dem ersten Element (3) gekoppelt ist und eine mechanische Anregungsschwingung in das erste Element (3) einbringt, mit der er das erste Element (3) in Resonanzschwingung versetzt, woraufhin der Aktuator (10) die Anregungsschwingung zu einer Gegenschwingung ändert und dadurch das Abbrechen der Stützstruktur (1, 1.1-1.13) unterstützt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Aktuatoren (10) mit dem ersten Element (3) und optional dem zweiten Element (4) gekoppelt
sind und mehrere mechanische Anregungsschwingungen einbringen, wobei sich die Anregungsschwingungen in dem Schwingungssystem zu der Resonanzschwingung überlagern.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Aktuator (10) an einer Stützstruktur (1, 1.1-1.13) des Gegenstands (2) angebracht ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Aktuator (10) an der Grundplatte (7) des Gegenstands (2) angebracht ist und die Aktuatoren (10), die an dem ersten Element (3) und an der Grundplatte (7) angebracht sind, die gleiche oder eine ähnliche Anregungsfrequenz aufweisen, wobei sich ähnliche Anregungsfrequenzen maximal um 10% bezogen auf die kleinere Anregungsfrequenz voneinander unterscheiden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass, zusätzlich zur Anregung des Schwingungssystems (6, 6.1-6.7) mit der zumindest einen
Resonanzschwingung, ein mechanischer Impuls in die Grundplatte (7) oder die Stützstruktur (1, 1.1-1.13) eingeleitet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand (2) während des Verfahrens (200) frei aufgehängt oder frei schwebend gehalten wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz der Resonanzschwingung ermittelt wird und die Anregungsfrequenz der Anregungsschwingung in Abhängigkeit der Resonanzfrequenz, insbesondere in einer Regeleinrichtung (20), besonders bevorzugt in einer Regel schleife, angepasst wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Anregungsschwingung eine gepulste Sinusschwingung und/oder ein Bandrauschen und/oder einen Frequenzsweep aufweist.
12. Vorrichtung zur Entfernung von Stützstrukturen (1, 1.1-1.13) aus einem Gegenstand (2), wobei der Gegenstand (2) ein durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellter Gegenstand (2) ist und wobei in dem Gegenstand (2) zumindest eine Stützstruktur (1, 1.1-1.13) zwischen einem ersten Element (3) und einem zweiten Element (4) des Gegenstands (2) vorgesehen ist, welche jeweils zumindest eine Verbindung (5) mit dem ersten Element (3) und zweiten Element (4) aufweist und zusammen mit diesen ein Schwingungssystem (6, 6.1-6.7) bildet, wobei die Vorrichtung (100, 101) zumindest einen mechanischen Aktuator (10) aufweist, welcher mit dem Gegenstand (2) zum Einleiten einer mechanischen Anregungsschwingung gekoppelt ist,
und wobei die Vorrichtung (100, 101) eine mit dem zumindest einen Aktuator (10) gekoppelte Steuerung (18) aufweist, welche dazu programmiert ist, die Anregungsschwingung zu steuern und das Schwingungssystem (6, 6.1-6.7) mit zumindest einer ihr zugeordneten Resonanzschwingung derart anzuregen, dass zu zumindest einem Zeitpunkt die Auslenkung der Resonanzschwingung die Belastungsgrenze an zumindest einem Punkt im Schwingungssystem (6, 6.1-6.7) übersteigt, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (3) eine Sollstruktur oder eine Zwischenplatte ist und das zweite Element (4) des Gegenstands (2) eine Grundplatte (7) des Gegenstands (2) ist und dass die Vorrichtung (100, 101) mehrere mit der Steuerung (18) verbundene und mit dem Gegenstand (2) mechanisch gekoppelte Aktuatoren (10) aufweist, wobei die Steuerung (18) dazu programmiert ist, mehrere Anregungsschwingungen in den Gegenstand (2) einzuleiten, welche sich im Schwingungssystem (6, 6.1-6.7) zu der Resonanzschwingung überlagern, wobei zumindest einer der Aktuatoren (10) mit dem ersten Element (3) gekoppelt ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (18) eine Messeinrichtung (19) zur Messung der Resonanzfrequenz der Resonanzschwingung und eine Regeleinrichtung (20) zur Regelung der Anregungsfrequenz der zumindest einen Anregungsschwingung aufweist, wobei die Messeinrichtung (19) mit der Regeleinrichtung (20) verbunden ist und die Regeleinrichtung (20) dazu eingerichtet ist, die Anregungsfrequenz in Abhängigkeit der Resonanzfrequenz anzupassen.
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