WO2021122952A1 - Anlage zur additiven fertigung - Google Patents

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WO2021122952A1
WO2021122952A1 PCT/EP2020/086711 EP2020086711W WO2021122952A1 WO 2021122952 A1 WO2021122952 A1 WO 2021122952A1 EP 2020086711 W EP2020086711 W EP 2020086711W WO 2021122952 A1 WO2021122952 A1 WO 2021122952A1
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WO
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handling device
application head
application
supply line
designed
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Application number
PCT/EP2020/086711
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English (en)
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Géza KOSCSÁK
Till Oeschger
Axel Boi
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Chiron Group Se
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Publication date
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present disclosure relates to an additive manufacturing system. At least in exemplary configurations, the present disclosure relates to devices for additive manufacturing using direct energy deposition.
  • Such systems and devices include, for example, a Flandhandungs worn with an application head, and a workpiece carrier, wherein the Flandhabungs favorable can move the application head relative to the workpiece carrier in order to apply material there.
  • a machine tool which is designed both for additive manufacturing and for abrasive machining.
  • the machine tool has a spindle with a workpiece holder, into which tools for ablative machining as well as a build-up welding head for additive manufacturing can be exchanged.
  • the machine tool also has a specific magazine for several machining tools and a separate storage device for the build-up welding head. The magazine and the storage device are arranged outside the work space.
  • a machine for additive manufacturing is known.
  • the machine has a portal structure, with a print head for additive manufacturing being accommodated on the portal so that it can be moved. Furthermore, a Wech selvorraum is provided for print heads and tools for machining.
  • the changing device each also includes interfaces for the energy supply and the material supply to the print heads.
  • Devices for additive manufacturing can be used for various applications. This includes, for example, a complete setting of components (completely using additive manufacturing), a supplementary setting of components (additive manufacturing in addition to conventional manufacturing for a component), and / or use for repair purposes (used part is upgraded using additive manufacturing) .
  • Another application for devices in additive manufacturing is the coating of workpieces. In this way, workpieces with the desired surfaces and properties can be produced by applying a layer to an existing semi-finished product. It is conceivable to coat outer surfaces of a workpiece. Furthermore, it is also conceivable to coat inner surfaces, that is to say inwardly facing surfaces.
  • DED Direct Energy Deposition
  • LMD Laser Order welding
  • the energy input takes place with a laser.
  • the laser creates a weld pool on the component surface.
  • Metal powder is automatically introduced through a nozzle.
  • the powder melts and bonds with the base material.
  • the result is beads that are welded together and that result in structures on existing basic bodies or entire components. If necessary, many layers can be built on top of each other.
  • Argon for example, is used as the protective gas.
  • DED processes are also known which process metal wires instead of metal powder.
  • DED 3D structures can also be generated on uneven surfaces.
  • the method is therefore also suitable for repairs and for changes to the geometry.
  • Different materials can be used, so that components with an inhomogeneous material structure can also be produced.
  • DED processes have relatively high application rates compared to other additive manufacturing processes.
  • a machine tool which has a housing and a machining head receptacle arranged on the housing, which is configured to optionally have a first machining head for applying material to a workpiece or a second machining head for machining workpiece interchangeable to include.
  • EP 1 652 614 A1 a holder for a processing head for a laser processing machine is known, the holder comprising a carrier having couplings for connecting signal lines, power lines, cooling water lines or the like, and wherein a collision protection device for releasing the Bracket is provided in the event of a collision of the machining head.
  • EP 1 652 614 A1 describes an interface for a machining head, the interface providing, on the one hand, a mechanical coupling and, on the other hand, a coupling of supply lines.
  • the invention is based on the object of specifying a system for additive manufacturing that can be used flexibly and preferably reduces the set-up effort.
  • a system or a corresponding device is preferably even better suited for automated production.
  • the system should preferably also be optimized with regard to maintenance and cleaning costs.
  • the object is achieved by a system for additive manufacturing, in particular by means of Direct Energy Deposition, wherein the system has the following: a handling device with a receptacle for receiving an order head, a workpiece carrier, the one Working space is assigned which is accessible for an application head received on the handling device, at least one application head which is designed to provide material and to provide energy for melting the material, the application head being receivable on the receptacle of the handling device, At least two parking positions for application heads within the movement space of the handling device, in particular within the working space, the at least one application head having a coupling piece for coupling to the receptacle, and the at least one application head both in a working position in which the at least one application head is on the handling device is received, and is connected to at least one supply line in the parking position.
  • the handling device has a receptacle for receiving the application head.
  • the application head is independent of whether it is in a working position (picked up on the handling device) or in a parking position (separation from the handling device possible) via the at least one supply line permanently with corresponding supply devices (e.g. light source, laser source, material source, energy source, control device, etc.) connected.
  • supply devices e.g. light source, laser source, material source, energy source, control device, etc.
  • mechanical interface is not to be understood as limiting.
  • An interface for coupling between the handling device and the processing head can also transmit signals and, if necessary, also energy. This can in particular be sensors, actuators and similar elements that monitor / bring about the mechanical coupling between the processing head and the handling device.
  • a system for additive manufacturing by means of DED uses focused energy sources, such as a laser or electron beam.
  • the building material in particular metallic building material, can be melted.
  • the already existing component surface is also at least locally softened / melted so that the old layer can bond with the new layer.
  • a high-strength component is created.
  • the system is designed in particular for processing metal materials.
  • the building material is provided as a powder or wire, for example. Possible applications relate on the one hand to the rebuilding of components and on the other hand to repairs / modifications.
  • One advantage of the aforementioned design is that only one (single) handling device is required for the order, ie the actual material structure, but also for the head change. In other words, no separate handling device or transfer device is required for changing the head. Nonetheless, application heads can be changed automatically.
  • the at least one supply line is permanently connected to the machining head. No interface / coupling has to be opened and closed for the at least one supply line. This is particularly advantageous for sensitive supply lines (fiber optics, protective gas, material feed, etc.).
  • the at least two parking positions are provided in an exemplary embodiment within the housing or within the working space of the system. In this way, the change takes place in the work area. Application heads do not have to be passed through locks and the like.
  • the parking positions can be structurally formed by parking stations.
  • the work space is a sufficiently delimited or delimited space in which the material is applied and which in this context is exposed to a certain amount of contamination. In other words, the working space is defined, for example, by the housing and delimited to the outside.
  • the at least two parking positions are arranged within a housing of the system, so that a head change takes place in the work space.
  • At least two application heads are provided, at least one of which is arranged in a parking position.
  • An exemplary configuration with two application heads includes a first application head that uses powdered construction material and a second application head that uses wire material as construction material.
  • Another exemplary configuration with two application heads includes a first and a second application head, each of which processes powdered building material, which are different materials. In this way, on the one hand, components can be made from different materials. Conversely, it is possible to manufacture different types of components from different materials, with the setup effort being limited.
  • At least three parking positions are provided.
  • three or more application heads can be kept.
  • a plurality of application heads can be provided which can be used within the system.
  • the reception and the coupling piece generate a mechanical coupling between the handling device and the at least one application head for entrainment of the application head by the handling device. In this way, the handheld device carries the application head when changing heads, but also during material application.
  • the at least one supply line is designed for process energy supply.
  • An example of this is a light guide for supplying high-energy radiation.
  • this is a light guide for laser light.
  • the at least one supply line is designed for supplying material, in particular for supplying powder material or wire material. It goes without saying that several supply lines can be provided for the at least one processing head, one of which is used for material supply and another for process energy supply (e.g. light guide).
  • the at least one supply line is designed for supplying fluid.
  • it can be a supply line for supplying a coolant, a process gas and / or a protective gas.
  • supply lines are provided which are coupled to the application head.
  • Several supply lines can form a line bundle.
  • the at least one supply line is designed to supply energy, in particular electrical energy.
  • the at least one supply line is designed for data exchange.
  • the at least one supply line is designed for supplying energy, in particular for supplying actuators and / or drives on the application head. This takes into account that application heads can have their own drives. For example, this includes a focusing drive for the optics, a drive for the material feed, in particular wire feed, and other applications.
  • the energy supply can also be used for control devices and / or sensors that are provided for the machining head.
  • the at least one supply line can cover various tasks and functions.
  • the at least one supply line is designed for data transmission, in particular for bidirectional data transmission. This ensures the flow of information to and from the order header. Sensors, actuators and / or actuators that are formed on or in the application head can be involved in the data exchange.
  • the at least one application head is connected to a plurality of supply lines both in the working position and in the parking position.
  • a change between the parking position and the working position does not require the separation and renewed connection (coupling and decoupling) between the application head and the supply lines.
  • the two or more supply lines form a line bundle that is ideally permanently connected to the application head. It goes without saying that the two or more supply lines can be of the same type or can be designed differently. This also applies to the function of the supply line (process energy supply, material supply, fluid supply, energy supply, data transmission, etc.).
  • the at least two parking positions are arranged on one housing wall or on a plurality of housing walls. In exemplary embodiments, this relates to inner walls of the housing.
  • the parking positions are thus located within the housing of the system.
  • the at least two parking positions are arranged in at least two vertical positions. This simplifies changing the application heads.
  • the handling device can approach the application heads in their parking position at different height levels. Furthermore, collisions or even twists / knots of the supply lines can be avoided.
  • the at least two parking positions are located on walls that are inclined to one another within the housing of the system.
  • these are adjacent vertical walls which are inclined at 90 ° to one another.
  • the at least one supply line is received in a drag chain.
  • this relates to two or more supply lines, which can then be referred to as line bundles, for example.
  • the drag chain protects the supply lines during operation of the system and ensures that the supply lines can be moved in the desired manner, especially when changing the application head between the parking position and the working position.
  • the drag chain is designed as a spatially movable drag chain, in particular as a so-called 3D drag chain. This ensures that the at least one supply line can follow the movement of the handling device when the application head is received on it. Overall, there are many degrees of freedom for the movement of the application head.
  • Drag chains as such are known in the field of automation technology. For systems and machines in which linearly movable units (Linear slide, cross slide, etc.) are provided, drag chains are often used, which block certain degrees of freedom of movement.
  • drag chains are also known which can in principle be moved freely in space, whereby there can of course be limits and stops.
  • Such a spatially movable drag chain provides a high number of degrees of freedom of movement on the one hand for changing the application head between the parking position and working position and on the other hand for moving the application head during the actual order.
  • a weight compensation mechanism is provided for at least one drag chain.
  • a so-called balancer can be used for this purpose, for example.
  • the counterbalancing mechanism helps ensure that the application heads with their connecting lines can be moved between the parking position and the working position.
  • the weight compensation mechanism contributes to avoiding twisting / knotting through appropriate positioning.
  • the weight compensation mechanism helps ensure that the load to be moved by the handling device (application head and at least some of the supply lines) is not changed abruptly.
  • the workpiece carrier is movable, the workpiece carrier providing further degrees of freedom of movement.
  • the workpiece carrier provides further degrees of freedom of movement.
  • the workpiece carrier is designed as a table or platform, in particular as a workpiece support. It is conceivable to make the workpiece carrier movable, for example to provide a B-axis (rotation about Y) or a C-axis (rotation about Z).
  • the workpiece carrier comprises a clamping device which defines an axis of rotation of the workpiece.
  • the workpiece carrier is designed as a clamping device for a workpiece spindle.
  • an A-axis can be provided for the workpiece, similar to a lathe. This is particularly conceivable with elongated, wave-like workpieces, for example with those with at least some sections of a rotationally symmetrical design.
  • such a configuration can be used for building processes in which material is built up on an already existing workpiece, for example for coating.
  • At least one, preferably each parking position is assigned a hood which at least partially covers the coupling piece of a parked application head.
  • the hood can be moved into an evasive position in order to release the coupling piece. In this way, the coupling piece of the application head can be protected from excessive soiling.
  • the handling device has Cartesian kinematics with Cartesian axes.
  • the handling device is based on a classic XYZ coordinate system and provides linear axes and / or rotary axes for at least some of the XYZ directions. So there are guides and carriages for at least some of the directions of movement that allow movements exactly along the respective axis.
  • rotary drives for at least some of the movement directions that allow rotational movements about the respective axis.
  • a classic, conventional X-Y-Z coordinate system is used to describe movements and movement paths. This is not to be understood as restrictive.
  • the Z axis usually denotes the vertical.
  • the X and Y axes are horizontal axes which together define a horizontal plane.
  • the X-axis usually describes a transverse axis.
  • the Y-axis usually describes a depth axis.
  • This nomenclature can be applied to the design of systems for additive manufacturing, at least for illustrative purposes. In the context of the present disclosure, this nomenclature is also used to describe handling devices that are not necessarily based on Cartesian kinematics.
  • the handling device comprises a robot.
  • the robot is designed as an articulated arm robot, for example.
  • the robot is designed as a robot with serial kinematics.
  • a robot as a component of the handling device, preferably as an essential component of the handling device for the application heads, has the advantage that the parking positions of individual application heads can be selected within the given movement space of the robot in the work space.
  • the parking positions can be spaced from each other.
  • the positioning accuracy and repeatability that the robot provides is sufficient for additive manufacturing purposes.
  • he can Robots can be used for fine positioning and the feed movement of the application head.
  • the handling device can be used for fine positioning and the actual feed movement during the order if the accuracy is sufficiently high. This applies regardless of the selected kinematics (Cartesian kinematics, serial kinematics, etc.) if the positioning accuracy and the repeatability are sufficient.
  • FIG. 1 a perspective view of an exemplary embodiment of a system for additive manufacturing
  • FIG. 2 a further perspective illustration of the arrangement according to FIG. 1, in a changed orientation, the housing being hidden;
  • FIGS. 1 and 2 a plan view of the arrangement according to FIGS. 1 and 2;
  • FIG. 5 Another perspective view of the arrangement according to FIG. 4, in changed orientation
  • FIG. 6 an enlarged, partially exploded partial view to illustrate an exemplary configuration of interfaces of the application head
  • FIG. 8 a view of the application head based on FIG. 7, with a changed perspective, the application head being shown in a position spaced apart from the parking position;
  • Application head together with the interfaces to supply lines and to a handling device in the form of a robot;
  • FIG. 1 shows a perspective view of a system for additive manufacturing, denoted overall by 10.
  • Figures 2 and 3 illustrate further configurations and features of the system 10.
  • the system 10 is a DED system.
  • Such a system includes, for example, a laser source with the help of which building material is applied to a component.
  • the system 10 includes a base 12 that supports a housing 18.
  • the housing 18 comprises a door 20 and walls 22, 24, 26, 28.
  • the housing 18 defines a working space 32.
  • a central handling device 36 is arranged in the working space, which in the exemplary embodiment is operated by a manipulator in the form of a Robot 38 is formed.
  • the central handling device 36 can be used for the main function, the actual material structure, but also for changing the working heads / application heads. This is illustrated in more detail below.
  • FIGS. 1 to 10 for reasons of illustration, a Cartesian coordinate system XYZ with associated axes of rotation A-BC (FIG. 2) is shown.
  • the axes X and Y are horizontal axes in the exemplary embodiment.
  • the Z axis is a vertical axis. From the operator's point of view, the X axis is a transverse axis and the Y axis is a depth axis.
  • the axis A describes rotations about the axis X.
  • the axis B describes rotations about the axis Y.
  • the axis C describes rotations about the axis Z.
  • the handling device 36 designed as a robot 38 has a different internal coordinate system for controlling the Robot can use. Nevertheless, the Cartesian coordinate system XYZ can be used as the workpiece coordinate system. The person skilled in the art can, if necessary, convert the XYZ coordinate system into other coordinate systems.
  • the XYZ coordinate system is primarily used for illustration purposes and is therefore not to be interpreted as restrictive.
  • the system 10 is designed to use a plurality of application heads 40, 42, 44.
  • the application heads 40, 42, 44 can differ structurally and / or with regard to the parameters / materials used. At least one of the application heads 40, 42,
  • the application heads 40, 42, 44 process different materials in other exemplary embodiments in order to expand the field of application of the system 10.
  • the application heads 40, 42, 44 can also differ with regard to the optics used, material feed units and other elements. Overall, the system 10 therefore has a high degree of flexibility.
  • the application heads 40, 42, 44 in wire-based methods can differ in terms of material, diameter of the wire, nozzle and / or optics.
  • the application heads 40, 42, 44 in powder-based methods can differ in terms of material, grain size of the powder particles, nozzle and / or optics. This is not to be understood as restrictive.
  • the application head 40 is received on the handling device 36 and can be moved over it.
  • the application head 40 can dispense and apply material via its application tip 46 (see also TCP - Tool Center Point).
  • the application head 40 is consequently in a working position or in a working mode.
  • the application heads 42, 44 are in a park position or a rest mode. Parking positions 48, 50 for the application heads 42, 44 are indicated in FIGS.
  • the parking positions 48, 50 are provided in the exemplary embodiment by appro priate recordings on the walls 22, 24, 26, 28 of the housing 18. 1 illustrates that in the exemplary embodiment the head 42 is received on the wall 22 and that the head 44 is received on the wall 24.
  • the application heads 40, 42, 44 rest in the respective parking positions 48, 50.
  • a parking station is indicated at 52, which in the exemplary embodiment defines one of the parking positions 48, 50 for the application heads 40, 42, 44.
  • the system 10 is not designed to remove material. Nevertheless, this is not to be understood as restrictive. However, in essential exemplary embodiments, the system 10 is provided with at least two parking positions 48, 50 for application heads 40, 42, 44. Accordingly, two or more application heads 40, 42, 44 are vorgese hen in essential embodiments, between which can be changed.
  • a change between the application heads 40, 42, 44 includes a mechanical coupling between the selected application head 40, 42, 44 and the handling device 36.
  • a main aspect of the present disclosure is adjacent the necessary mechanical coupling to dispense with additional coupling processes for supply lines if possible.
  • each of the application heads 40, 42, 44 is permanently connected to supply devices (not explicitly shown) via a respective drag chain 56, 58, 60.
  • the drag chains 56, 58, 60 provide a guide for supply lines 62, 64, 66.
  • the drag chains 56, 58, 60 house the supply lines 62, 64, 66 so that the supply lines 62, 64, 66 are protected by the drag chains 56, 58, 60.
  • Each of the drag chains 56, 58, 60 comprises one or more supply lines 62, 64,
  • a drag chain 56, 58, 60 houses several supply lines 62, 64, 66, one can speak of a line bundle.
  • the system 10 according to FIGS. 1 to 3 has a workpiece carrier 72 which, in the exemplary embodiment, is designed as a spindle 76 with a clamping device 74 for a workpiece.
  • the clamping device 74 is an example of a tailstock 78 assigned. Consequently, the workpiece carrier 72 can be operated in a manner similar to a lathe, so that workpieces can be set in defined rotary movements about an axis A (rotation about the X axis).
  • the design with the workpiece carrier 72 is suitable for additive manufacturing / repair / modification of wave-shaped components.
  • the application can also relate to the coating of wave-shaped components.
  • a coating can take the form of an external coating or an internal coating.
  • An interface in the form of a coupling 80 is provided between the handling device 36 and the application heads 40, 42, 44 (compare FIG. 3 and the supplementary representations in FIGS. 6 to 8).
  • the interface / coupling 80 is actually opened and closed when changing between two application heads 40, 42, 44.
  • the coupling 80 comprises a receptacle 82 in the handling device 36 and a coupling piece 84 in the application heads 40, 42, 44, see again FIGS. 6 to 8.
  • the handling device 36 has a gripper or the like in order to be able to grip and hold one of the application heads 40, 42, 44 on a defined counter contour.
  • FIGS. 1 to 3 also illustrate a weight compensation mechanism 88 which simplifies the change between different application heads 40, 42, 44.
  • the weight balancing mechanism 88 comprises, for example, two or more so-called balancers 90, 92, which can also be referred to as weight balancers.
  • the balancers 90, 92 are each assigned to one of the drag chains 56, 58, 60. It goes without saying that three or more balancers 90, 92 are also conceivable.
  • the weight compensation mechanism 88 helps to avoid collisions or even twists between the drag chains 56, 58, 60 and the supply lines 62, 64, 66 received therein.
  • This design contributes to the fact that the application heads 40, 42, 44 can be exchanged relatively freely between the respective parking positions 48, 50 and the handling device 36, at least in exemplary configurations.
  • the handling device 36 itself is designed to pick up the application heads 40, 42, 44 from the parking positions 48, 50 or to deposit them there. This requires a high degree of freedom of movement.
  • the weight balancing mechanism 88 helps to minimize or avoid collisions, entanglement and the like.
  • Two or more balancers 90, 92 can also be assigned to a drag chain 56, 58, 60.
  • the parking positions 48, 50 for the application heads 40, 42, 44 are spaced from one another sufficiently far.
  • the parking positions 48, 50 for the application heads 40, 42, 44 are at different heights. arranged veaus (Z position) of the housing 18.
  • the parking positions 48, 50 are located on different walls 22 (parking position 48), 24 (parking position 50) of the housing 18. This also simplifies the change between different application heads 40, 42, 44.
  • FIG. 3 also uses dashed areas to illustrate an exemplary expansion of a construction space 34 within the working space 32 and an exemplary expansion of a movement space 94 of the handling device 36.
  • the construction space 34 corresponds to the conceivable construction space within the working space 32 for the given configuration in which material can be applied.
  • the installation space 34 only takes up part of the movement space 94 or the work space 32.
  • the work space 32 and the movement space 94 are largely congruent.
  • designs are also conceivable in which there are differences between working space 32 and movement space 94.
  • a handling device 36 in the form of a robot 38 usually has a larger movement space 94 than a handling device in the form of Cartesian kinematics, but this is not to be understood as limiting.
  • the handling device 36 comprises a robot 38
  • the movement space 94 can even extend beyond the door 20, for example for a workpiece change.
  • parking positions 48, 50 for application heads 40, 42, 44 can be arranged at a sufficient distance from one another in the housing 18 within the working space 32 or the movement space 94.
  • relatively large distances have to be bridged when changing the application heads 40, 42, 44.
  • the handling device 36 provides a sufficiently large movement space 94.
  • the movement space 94 can be used for a generous arrangement of the application heads 40, 42, 44 and the drag chains 65, 58, 60.
  • FIGS. 4 and 5 illustrate an alternative embodiment of the system 10.
  • the exemplary embodiment according to FIGS. 4 and 5 have a modified workpiece carrier 172 which comprises a rotary table 174 and a swivel drive 176.
  • the turntable 174 allows rotational movements / pivoting movements about the Z-axis.
  • the swivel drive 176 allows rotary movements / swivel movements about the Y-axis.
  • the swivel drive 176 provides a B-axis.
  • the design of the workpiece carrier 172 of the exemplary embodiment according to FIGS. 4 and 5 is similar to a swiveling turntable with a B-axis and C-axis for a 5-axis milling machine.
  • the workpiece carrier 72 illustrated in FIGS. 1 to 3 resembles a spindle of a lathe.
  • the workpiece carrier 172 is suitable for various components and uses.
  • the handling device 36 (compare the robot 38) provides a large number of degrees of freedom of movement
  • the workpiece support (workpiece carrier 72, 172) with degrees of freedom of movement.
  • a workpiece application “from above” or at least essentially “from above” is made possible. This is useful with such application heads 40, 42, 44, which preferably operate in a vertical orientation.
  • the design of the workpiece carriers 72, 172 is not to be understood as restrictive. Other designs with more or less degrees of freedom are conceivable.
  • FIGS. 4 and 5 serve to further illustrate the other components of the system 10, compare the handling device 36, the application heads 40, 42, 44 with the interfaces 68 for the drag chains 56, 58, 60 with the supply lines 62, 64, 66.
  • the drag chains 56, 58, 60 can each accommodate a plurality of supply lines 62, 64, 66, at least in exemplary configurations. If several supply lines 62, 64, 66 are provided in a drag chain 56, 58, 60, then these can be referred to as a bundle of lines.
  • FIGS. 6, 7 and 8 illustrate an exemplary embodiment of an application head 40 for use in the system 10.
  • FIGS. 6 and 7 also show an exemplary embodiment of a parking station 52 for the application head 40 removable.
  • Fig. 6 illustrates the application head 40 in a released state in which the application head 40 is spaced apart from the handling device 36 but also from the fastening position on the associated wall 22, 24, in particular for reasons of clarity. In this way, the interfaces provided in this exemplary embodiment are visible.
  • the application head 40 has a coupling piece 84.
  • the handling device 36 has a receptacle 82.
  • the coupling piece 84 is shown in the illustration in FIG. 7 in the uncoupled state. Together, the receptacle 82 and the coupling piece 84 form the coupling 80, that is, an interface between the application head 40 and the handling device 36.
  • FIGS. 6 and 7 also show the interface 68 on which the drag chain 56 with the at least one supply line 62 couples. 8 shows the application head 40 with the drag chain 56 coupled.
  • the interface 68 is permanently closed, at least in exemplary embodiments.
  • the parking station 52 comprises a hood 96.
  • the application head 40 is arranged in the hood 96.
  • 8 illustrates the application head 42 in a position spaced from the hood 96.
  • the application head 40 is provided with a coupling 98 on its side facing away from the coupling piece 84.
  • a corresponding counterpart in the form of a holding receptacle 100 is assigned to the coupling 98 at the parking station 52 (compare FIGS. 6 and 8). This ensures that the application head 40 can be parked safely and with repeat accuracy.
  • the hood 96 protects sensitive components of the application head 40, in particular in the area of its application tip 46.
  • the parking station 52 with the hood 96 is attached to one of the walls 22 via a mounting piece 102 (see also FIGS. 6 and 8) , 24 (or 26, 28) of the housing 18, see FIG. 3.
  • FIGS. 6 to 8 illustrate an exemplary embodiment of the parking station 52, in which the hood 96 that connects the coupling piece 84 of the application head fes 40 covers in the parked state, via a guide 104 movably on the mounting piece 102 or the holding receptacle 100 is arranged.
  • the hood 96 can evade so that the application head 40 can be set down by the handling device 36 on the holding receptacle 100 or picked up from it.
  • the double arrow 106 illustrates this soft movement, in the embodiment it is a vertical movement.
  • the hood 96 is shown in an evasive position.
  • the hood 96 is in a parking position in which the hood 96 covers the coupling piece 84 (this is covered in FIG. 7 and is therefore shown in dashed lines).
  • the hood 96 is moved into an evasive position so that the handling device 36 can couple with the receptacle 82 to the coupling piece 84.
  • the coupling piece 84 is at least partially covered by the hood 96 in the parking position of the application head 40. In this way, contamination of the coupling piece 84 can be reduced or even avoided.
  • FIGS. 9 and 10 additionally use simplified, schematic representations to illustrate the coupling between the application head 40 and the respectively assigned handling device 36, 136.
  • a handling device 36 with a robot 38 is shown in addition to the application head 40, analogous to the embodiments according to Figures 1 to 5.
  • a coupling 80 is provided, which through the receptacle 82 and the coupling piece 84 is formed.
  • 9 also indicates a monitoring sensor system with two sensors 108, 110 for monitoring the coupling state.
  • the application head 40 also has an interface 68 for connection to the drag chain 56.
  • the drag chain 56 serves as a guide for a plurality of supply lines 112, 114, 116, 118, 120.
  • the supply line 112 is a light guide, in particular for laser light. In this way, energy can be introduced into the application tip 46 of the application head 40.
  • the supply line 114 is a material feed.
  • the supply line 114 is designed, for example, for wire feed or powder feed.
  • the supply line 116 is designed to supply a fluid, in particular a process gas, a protective gas and / or a coolant.
  • the supply line 116 can generally be designed for the supply of fluid.
  • the supply line 118 is designed for supplying (electrical) energy. In this way, drives, control devices and the like can be supplied with energy.
  • An actuator is indicated at 124 in FIG. 9 as a consumer.
  • the actuator can be, for example, a focus drive for an optical assembly and / or a feed drive for the material supply (for example wire feed).
  • the supply line 120 is designed to supply data, that is to say for data exchange.
  • a control unit is indicated by 126 in FIG. 9 as the destination and source for the data exchange.
  • sensors can also be provided which communicate via the supply line 120.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 9 is not to be understood as restrictive. Further or fewer supply lines can also run via the interface 68. It is essential that at least one, preferably several, of the supply lines 114, 114, 116, 118, 120 need not be disconnected when the application head 40 is changed.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 10 differs from the illustration according to FIG. 9 primarily in the design of the handling device 136.
  • the handling device 136 has linear (Cartesian) kinematics 138. In other words, the handling device 136 does not include a robot in this exemplary embodiment.
  • a system for additive manufacturing can also be implemented with the conventional linear kinematics 138.
  • the handling device 136 can be used both for the actual assembly on the workpiece and for changing the order heads.
  • the handling direction 136 comprises a Z slide 140 which is arranged on a Z guide 142.
  • the Z guide 142 is arranged on a Y slide 144 which is mounted on a Y guide 146.
  • an X slide can also be provided, which is arranged on an X guide. This is not shown in FIG. 10 for reasons of illustration.

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Abstract

Die Offenbarung bezieht sich auf eine Anlage zur additiven Fertigung, insbesondere mittels Direct Energy Deposition, mit einer Handhabungseinrichtung (36, 136) mit einer Aufnahme (82) zur Aufnahme eines Auftragskopfes (40, 42, 44), einem Werkstückträger (72, 172), der einem Arbeitsraum (32) zugeordnet ist, der für einen an der Handhabungseinrichtung (36, 136) aufgenommenen Auftragskopf (40, 42, 44) erreichbar ist, zumindest einem Auftragskopf (40, 42, 44), der zur Materialbereitstellung sowie zur Bereitstellung von Energie zum Schmelzen des Materials ausgebildet ist, wobei der Auftragskopf (40, 42, 44) an der Aufnahme (82) der Handhabungseinrichtung (36, 136) aufnehmbar ist, zumindest zwei Parkpositionen (48, 50) für Auftragsköpfe (40, 42, 44) innerhalb des Bewegungsraums der Handhabungseinrichtung (36, 136), wobei der zumindest eine Auftragskopf (40, 42, 44) ein Koppelstück (84) zur Ankopplung an die Aufnahme (82) aufweist, und wobei der zumindest eine Auftragskopf (40, 42, 44) sowohl in einer Arbeitsposition, in der der zumindest eine Auftragskopf (40, 42, 44) an der Handhabungseinrichtung (36, 136) aufgenommen ist, als auch in der Parkposition (48, 50) mit zumindest einer Versorgungsleitung (62, 64, 66) verbunden ist.

Description

Anlage zur additiven Fertigung
[0001] Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Anlage zur additiven Fertigung. Zumindest in beispielhaften Gestaltungen bezieht sich die vorliegende Offen barung auf Vorrichtungen zur additiven Fertigung mittels Direct Energy Deposition.
[0002] Derartige Anlagen und Vorrichtungen umfassen beispielsweise eine Flandhabungseinrichtung mit einem Auftragskopf, und einen Werkstückträger, wobei die Flandhabungseinrichtung den Auftragskopf relativ zum Werkstückträger bewegen kann, um dort Material aufzutragen. [0003] Aus der DE 10 2013 224649 A1 ist eine Werkzeugmaschine bekannt, die sowohl zur additiven Fertigung als auch zur abtragenden Bearbeitung ausgebildet ist. Die Werkzeugmaschine weist eine Spindel mit einer Werkstückaufnahme auf, in die sowohl Werkzeuge für die abtragende Bearbeitung wie auch ein Auftragsschweißkopf für die additive Fertigung einwechselbar sind. Ferner weist die Werkzeugmaschine ein spezifisches Magazin für mehrere Bearbeitungswerkzeuge sowie eine separate Lagerein richtung für den Auftragsschweißkopf auf. Das Magazin und die Lagereinrichtung sind außerhalb des Arbeitsraums angeordnet.
[0004] Aus der DE 10 2017005426 A1 ist eine Maschine für die additive Ferti gung bekannt. Die Maschine weist einen Portalaufbau auf, wobei an dem Portal ein Druckkopf für die additive Fertigung verfahrbar aufgenommen ist. Ferner ist eine Wech selvorrichtung für Druckköpfe und Werkzeuge für die spanende Bearbeitung vorgesehen. Die Wechselvorrichtung umfasst jeweils auch Schnittstellen für die Energieversorgung und die Materialversorgung der Druckköpfe.
[0005] Vorrichtungen zur additiven Fertigung können für verschiedene Anwen dungsfälle genutzt werden. Dies umfasst beispielsweise eine vollständige Fierstellung von Bauteilen (vollständig mittels additiver Fertigung), eine ergänzende Fierstellung von Bauteilen (additive Fertigung zusätzlich zu konventioneller Fertigung bei einem Bauteil), und/oder eine Nutzung zu Reparaturzwecken (Gebrauchtteil wird mittels additiver Ferti gung ertüchtigt) verwendet werden. Eine weitere Anwendung für Vorrichtungen der additiven Fertigung ist die Beschichtung von Werkstücken. Auf diese Weise können Werkstücke mit gewünschten Oberflächen und Eigenschaften erzeugt werden, indem auf ein vorhandenes Halbzeug eine Schicht aufgetragen wird. Es ist vorstellbar, Außenflä chen eines Werkstücks zu beschichten. Ferner ist es auch vorstellbar, Innenflächen, also nach innen gewandte Flächen, zu beschichten.
[0006] Die additive Fertigung findet mittlerweile weite Verbreitung, gerade auch im industriellen Umfeld. Insbesondere die Verarbeitung von Metallwerkstoffen eröffnet neue Anwendungsfelder. [0007] Unter dem Begriff Direct Energy Deposition (DED) lassen sich verschie dene Verfahren zur additiven Fertigung zusammenfassen, die darauf beruhen, dass mittels einer fokussierten Energiequelle, insbesondere mittels energiereicher Strahlung, Material aufgeschmolzen und aufgetragen wird.
[0008] Ein beispielhafter Vertreter von DED Technologien ist das Laserauf tragsschweißen (LMD - Laser Metal Deposition). Der Energieeintrag erfolgt mit einem Laser. Auf der Bauteiloberfläche erzeugt der Laser ein Schmelzbad. Durch eine Düse wird automatisiert Metallpulver eingebracht. Das Pulver schmilzt auf und verbindet sich mit dem Grundwerkstoff. Es entstehen miteinander verschweißte Raupen, die Strukturen an bestehenden Grundkörpern oder ganzen Bauteilen ergeben. Bei Bedarf können viele Schichten übereinander aufgebaut werden. Als Schutzgas wird dabei beispielsweise Argon eingesetzt. Es sind jedoch auch DED Verfahren bekannt, die statt Metallpulver Metalldrähte verarbeiten.
[0009] Durch DED Verfahren lassen sich 3D-Strukturen auch auf unebenen Flächen erzeugen. Damit eignet sich das Verfahren auch für Reparaturen sowie für Geometrieänderungen. Es können verschiedene Werkstoffe verwendet werden, so dass sich auch Bauteile mit inhomogener Werkstoffstruktur erzeugen lassen. DED Verfahren haben relativ hohe Auftragsraten, im Vergleich zu anderen Verfahren zur additiven Fertigung.
[0010] Aus der DE 10 2015218032 A1 ist eine Werkzeugmaschine bekannt, die ein Gehäuse und eine an dem Gehäuse angeordnete Bearbeitungskopfaufnahme aufweist, die dazu eingerichtet ist, wahlweise einen ersten Bearbeitungskopf zum Aufträ gen von Material auf ein Werkstück oder einen zweiten Bearbeitungskopf zur spanenden Werkstückbearbeitung auswechselbar aufzunehmen.
[0011] Aus der EP 1 652 614 A1 ist eine Halterung für einen Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsmaschine bekannt, wobei die Halterung einen Träger umfasst, der Kupplungen zum Anschluss von Signalleitungen, Energieleitungen, Kühlwasserleitun gen oder dergleichen aufweist, und wobei eine Kollisionsschutzeinrichtung zum Lösen der Halterung bei einer Kollision des Bearbeitungskopfes vorgesehen ist. Mit anderen Worten beschreibt die EP 1 652 614 A1 eine Schnittstelle für einen Bearbeitungskopf, wobei die Schnittstelle zum einen eine mechanische Ankopplung und zum anderen eine Ankopp lung von Versorgungsleitungen bereitstellt.
[0012] Anlagen zur additiven Fertigung im industriellen Umfeld sind kostenin tensiv. Dies trifft beispielsweise auf Anlagen zu, die mittels additiver Verfahren Metallbau teile erzeugen können. Zur Erzeugung metallischer Bauteile ist es regelmäßig erforder lich, dass Baumaterial zumindest partiell anzuschmelzen oder gar vollständig aufzu schmelzen, damit ein hinreichend dichter Verbund geschaffen wird.
[0013] Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur additiven Fertigung anzugeben, die flexibel einsetzbar ist und vorzugsweise den Rüstaufwand verringert. Vorzugsweise ist eine solche Anlage bzw. eine entsprechen de Vorrichtung noch besser für die automatisierte Fertigung geeignet. Ferner soll die Anlage vorzugsweise auch hinsichtlich Wartungsaufwand und Reinigungsaufwand optimiert werden.
[0014] Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die Aufgabe durch eine Anlage zur additiven Fertigung, insbesondere mittels Direct Energy Deposition, gelöst, wobei die Anlage Folgendes aufweist: eine Handhabungseinrichtung mit einer Aufnahme zur Aufnahme eines Auftrags kopfes, einen Werkstückträger, der einem Arbeitsraum zugeordnet ist, der für einen an der Handhabungseinrichtung aufgenommenen Auftragskopf erreichbar ist, zumindest einen Auftragskopf, der zur Materialbereitstellung sowie zur Bereitstel lung von Energie zum Schmelzen des Materials ausgebildet ist, wobei der Auf tragskopf an der Aufnahme der Handhabungseinrichtung aufnehmbar ist, zumindest zwei Parkpositionen für Auftragsköpfe innerhalb des Bewegungsraums der Handhabungseinrichtung, insbesondere innerhalb des Arbeitsraums, wobei der zumindest eine Auftragskopf ein Koppelstück zur Ankopplung an die Aufnahme aufweist, und wobei der zumindest eine Auftragskopf sowohl in einer Arbeitsposition, in der der zumindest eine Auftragskopf an der Handhabungseinrichtung aufgenommen ist, als auch in der Parkposition mit zumindest einer Versorgungsleitung verbunden ist.
[0015] Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
[0016] Erfindungsgemäß wird nämlich der Wechsel zwischen verschiedenen Auftragsköpfen bzw. die Aufnahme und Abgabe eines Auftragskopfes im Wesentlichen über eine mechanische Schnittstelle bewerkstelligt.
[0017] Die Handhabungseinrichtung weist als Schnittstelle eine Aufnahme zur Aufnahme des Auftragskopfes auf. Der Auftragskopf ist unabhängig davon, ob er sich in einer Arbeitsposition (an der Handhabungseinrichtung aufgenommen) oder einer Parkpo sition (Trennung von der Handhabungseinrichtung möglich) über die zumindest eine Versorgungsleitung permanent mit entsprechenden Versorgungseinrichtungen (z.B. Lichtquelle, Laserquelle, Materialquelle, Energiequelle, Steuereinrichtung, etc.) verbun den.
[0018] Dies heißt mit anderen Worten, dass hinsichtlich der zumindest einen Versorgungsleitung beim Wechsel zwischen der Arbeitsposition und der Parkposition keine Trennung erfolgen muss.
[0019] Stattdessen erfolgt die Trennung an einer im Wesentlichen mechani schen Schnittstelle. Der Begriff "mechanische Schnittstelle" ist nicht einschränkend zu verstehen. Auch eine Schnittstelle zur Kupplung zwischen der Handhabungseinrichtung und dem Bearbeitungskopf kann Signale und gegebenenfalls auch Energie übertragen. Hierbei kann es sich insbesondere um Sensoren, Aktuatoren und ähnliche Elemente handeln, die die mechanische Kopplung zwischen Bearbeitungskopf und Handhabungs einrichtung überwachen/herbeiführen.
[0020] Eine Anlage zur additiven Fertigung mittels DED nutzt fokussierte Ener giequellen, wie beispielsweise einen Laser- oder Elektronenstrahl. Auf diese Weise kann das Baumaterial, insbesondere metallisches Baumaterial, geschmolzen werden. Auch die schon vorhandene Bauteiloberfläche wird zumindest lokal erweicht/angeschmolzen, damit sich die alte mit der neuen Schicht verbinden kann. Es entsteht ein hochfestes Bauteil.
Die Anlage ist insbesondere zur Verarbeitung von Metallwerkstoffen ausgestaltet. Das Baumaterial wird beispielsweise als Pulver oder als Draht bereitgestellt. Denkbare An wendungen beziehen sich einerseits auf den Neuaufbau von Bauteilen und andererseits auf Reparaturen/Modifikationen.
[0021] Ein Vorteil der vorgenannten Gestaltung besteht darin, dass nur eine (einzige) Handhabungseinrichtung für den Auftrag, also den eigentlichen Materialaufbau, aber auch für den Kopfwechsel benötigt wird. Mit anderen Worten ist keine separate Handhabungsvorrichtung oder Transfervorrichtung für den Kopfwechsel nötig. Gleichwohl können Auftragsköpfe automatisiert gewechselt werden.
[0022] Es versteht sich, dass auch Ausführungsformen vorstellbar sind, bei de nen für den Kopfwechsel zusätzliche Achsen genutzt werden, die nicht aktiv an der eigentlichen additiven Fertigung beteiligt sind.
[0023] Mehrere Auftragsköpfe können schnell getauscht werden. Dadurch lässt sich die Anlage flexibler einsetzen. Die zumindest eine Versorgungsleitung ist permanent mit dem Bearbeitungskopf verbunden. Es muss für die zumindest eine Versorgungslei tung keine Schnittstelle/Kupplung geöffnet und geschlossen werden. Dies ist insbesonde re bei sensiblen Versorgungsleitungen (Lichtleiter, Schutzgas, Materialzuführung, etc.) von Vorteil. [0024] Die zumindest zwei Parkpositionen sind in einer beispielhaften Ausge staltung innerhalb des Gehäuses bzw. innerhalb des Arbeitsraums der Anlage vorgese hen. Auf diese Weise findet der Wechsel im Arbeitsraum statt. Auftragsköpfe müssen nicht durch Schleusen und Ähnliches hindurchgeführt werden. Die Parkpositionen können strukturell durch Parkstationen gebildet sein. Der Arbeitsraum ist in beispielhaften Ausge staltungen ein hinreichend nach außen abgegrenzter oder abgrenzbarer Raum, in dem der Materialauftrag erfolgt und der in diesem Zusammenhang einem gewissen Ver schmutzungseintrag ausgesetzt ist. Mit anderen Worten wird der Arbeitsraum beispiels weise durch das Gehäuse definiert und nach außen abgegrenzt.
[0025] Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung sind die zumindest zwei Parkpositionen innerhalb eines Gehäuses der Anlage angeordnet, so dass ein Kopfwech sel im Arbeitsraum stattfindet.
[0026] Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung sind zumindest zwei Auf tragsköpfe vorgesehen, von denen zumindest einer in einer Parkposition angeordnet ist. Eine beispielhafte Konfiguration mit zwei Auftragsköpfen umfasst einen ersten Auftrags kopf, der pulverförmiges Baumaterial nutzt, und einen zweiten Auftragskopf, der Drahtma terial als Baumaterial nutzt. Eine andere beispielhafte Konfiguration mit zwei Auftragsköp fen umfasst einen ersten und einen zweiten Auftragskopf, die jeweils pulverförmiges Baumaterial verarbeiten, wobei es sich um unterschiedliche Materialien handelt. Auf diese Weise können einerseits Bauteile aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Umgekehrt ist es möglich, verschiedenartige Bauteile aus verschiedenen Materialien zu fertigen, wobei sich der um Rüstaufwand in Grenzen hält.
[0027] Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung sind zumindest drei Parkpo sitionen vorgesehen. Auf diese Weise können drei oder mehr Auftragsköpfe vorgehalten werden. Somit kann eine Mehrzahl an Auftragsköpfen vorgesehen sein, welche innerhalb der Anlage nutzbar sind. Zumindest in beispielhaften Ausgestaltungen kann während eines Bauprozesses zwischen zumindest zwei Auftragsköpfen gewechselt werden. [0028] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung erzeugen die Auf nahme und das Koppelstück eine mechanische Kupplung zwischen der Handhabungsein richtung und dem zumindest einen Auftragskopf zur Bewegungsmitnahme des Auftrags kopfes durch die Handhabungseinrichtung. Auf diese Weise trägt die Handhabungsvor richtung den Auftragskopf beim Kopfwechsel, aber auch während des Materialauftrags.
[0029] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungsleitung zur Prozessenergieversorgung ausgebildet. Beispielhaft handelt es sich um einen Lichtleiter zur Versorgung mit energiereicher Strahlung. Dies ist in einer beispielhaften Ausgestaltung ein Lichtleiter für Laserlicht.
[0030] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungsleitung zur Materialversorgung ausgebildet, insbesondere zur Versor gung mit Pulvermaterial oder Drahtmaterial. Es versteht sich, dass mehrere Versorgungs leitungen für den zumindest einen Bearbeitungskopf vorgesehen sein können, von denen eine zur Materialversorgung und eine andere zur Prozessenergieversorgung (z.B. Lichtlei ter) dient.
[0031] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungsleitung zur Fluidversorgung ausgebildet. Es kann sich beispielsweise um eine Versorgungsleitung zur Versorgung mit einem Kühlmittel, einem Prozessgas und/oder einem Schutzgas handeln.
[0032] In beispielhaften Ausgestaltungen sind mehrere Versorgungsleitungen vorgesehen, die mit dem Auftragskopf gekoppelt sind. Mehrere Versorgungsleitungen können ein Leitungsbündel bilden.
[0033] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungsleitung zur Versorgung mit Energie, insbesondere elektrische Energie, ausgebildet. In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versor gungsleitung zum Datenaustausch ausgebildet. [0034] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungsleitung zur Energieversorgung ausgebildet, insbesondere zur Versor gung von Aktuatoren und/oder Antrieben am Auftragskopf. Damit wird berücksichtigt, dass Auftragsköpfe durchaus eigene Antriebe aufweisen können. Beispielsweise umfasst dies einen Fokussierantrieb für die Optik, einen Antrieb für den Materialvorschub, insbesonde re Drahtvorschub, und andere Anwendungen. Die Energieversorgung kann auch für Steuereinrichtungen und/oder Sensorik genutzt werden, die beim Bearbeitungskopf vorgesehen ist. Die zumindest eine Versorgungsleitung kann diverse Aufgaben und Funktionen abdecken.
[0035] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungsleitung zur Datenübertragung ausgebildet, insbesondere zur bidirektio nalen Datenübertragung. Auf diese Weise wird der Informationsfluss zum und vom Auftragskopf sichergestellt. Sensoren, Aktoren und/oder Aktuatoren, die am oder im Auftragskopf ausgebildet sind, können am Datenaustausch beteiligt sein.
[0036] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist der zumindest eine Auftragskopf sowohl in der Arbeitsposition als auch in der Parkposition mit mehreren Versorgungsleitungen verbunden. Ein Wechsel zwischen der Parkposition und der Arbeitsposition erfordert also nicht die Trennung und erneute Verbindung (Ankopplung und Abkopplung) zwischen Auftragskopf und den Versorgungsleitungen. Die zwei oder mehr Versorgungsleitungen bilden ein Leitungsbündel, das idealerweise permanent mit dem Auftragskopf verbunden ist. Es versteht sich, dass die zwei oder mehr Versorgungs leitungen vom gleichen Typ oder unterschiedlich gestaltet sein können. Dies betrifft auch die Funktion der Versorgungsleitung (Prozessenergieversorgung, Materialversorgung, Fluidversorgung, Energieversorgung, Datenübertragung, etc.).
[0037] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung sind die zumindest zwei Parkpositionen an einer Gehäusewand oder mehreren Gehäusewänden angeordnet. Dies betrifft in beispielhaften Ausführungsformen Innenwände des Gehäuses. Somit befinden sich die Parkpositionen innerhalb des Gehäuses der Anlage. [0038] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung sind die zumindest zwei Parkpositionen in zumindest zwei Vertikalpositionen angeordnet. Auf diese Weise vereinfacht sich der Wechsel der Auftragsköpfe. Die Handhabungseinrichtung kann die Auftragsköpfe in ihrer Parkposition auf unterschiedlichen Höhenniveaus anfahren. Ferner können Kollisionen oder gar Verdrillungen/Verknotungen der Versorgungsleitungen vermieden werden.
[0039] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung befinden sich die zumindest zwei Parkpositionen an zueinander geneigten Wänden innerhalb des Gehäu ses der Anlage. Beispielhaft handelt es sich um einander benachbarte vertikale Wände, welche 90° zueinander geneigt sind. Auch auf diese Weise vereinfacht sich der Wechsel zwischen verschiedenen Auftragsköpfen, da die Gefahr von Kollisionen der Auftragsköp fe, aber auch von Versorgungsleitungen der Auftragsköpfe, sinkt.
[0040] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungsleitung in einer Schleppkette aufgenommen. Dies betrifft in beispielhaf ten Ausführungsformen zwei oder mehr Versorgungsleitungen, welche dann beispielswei se als Leitungsbündel bezeichnet werden können. Die Schleppkette schützt die Versor gungsleitungen beim Betrieb der Anlage und stellt sicher, dass die Versorgungsleitungen in der gewünschten Weise bewegt werden können, insbesondere beim Wechsel des Auftragskopfes zwischen der Parkposition und der Arbeitsposition.
[0041] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die Schleppkette als räumlich bewegliche Schleppkette gestaltet ist, insbesondere als sogenannte 3D- Schleppkette. Damit wird gewährleistet, dass die zumindest eine Versorgungsleitung der Bewegung der Handhabungseinrichtung folgen kann, wenn der Auftragskopf an dieser aufgenommen ist. Insgesamt ergeben sich viele Freiheitsgrade für die Bewegung des Auftragskopfes.
[0042] Schleppketten als solches sind auf dem Gebiet der Automatisierungs technik bekannt. Bei Anlagen und Maschinen, bei denen linear verfahrbare Einheiten (Linearschlitten, Kreuzschlitten, etc.) vorgesehen sind, werden häufig Schleppketten verwendet, welche gewisse Bewegungsfreiheitsgrade sperren.
[0043] Es sind jedoch auch Schleppketten bekannt, welche grundsätzlich frei im Raum bewegt werden können, wobei es natürlich Grenzen und Anschläge geben kann. Eine solche räumlich bewegbare Schleppkette stellt einerseits für den Wechsel des Auftragskopfes zwischen Parkposition und Arbeitsposition und andererseits für die Bewegung des Auftragskopfes beim eigentlichen Auftrag eine hohe Anzahl an Bewe gungsfreiheitsgraden bereit.
[0044] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist ein Gewichts ausgleichsmechanismus für zumindest eine Schleppkette vorgesehen. Hierfür ist bei spielsweise ein sogenannter Balancer nutzbar. Der Gewichtsausgleichsmechanismus trägt dazu bei, dass die Auftragsköpfe mit ihren Verbindungsleitungen zwischen der Parkposition und der Arbeitsposition bewegt werden können. Insbesondere dann, wenn zwei oder mehr Auftragsköpfe vorgesehen sind, trägt der Gewichtsausgleichsmechanis mus durch eine entsprechende Positionierung dazu bei, Verdrillungen/Verknotungen zu vermeiden.
[0045] Im Betrieb, also während der additiven Fertigung, trägt der Gewichts ausgleichsmechanismus dazu bei, dass sie von der Handhabungseinrichtung zu bewe gende Last (Auftragskopf sowie zumindest einen Teil der Versorgungsleitungen) nicht ruckartig verändert wird.
[0046] Ferner ist es vorstellbar, für zwei oder mehr Auftragsköpfe die Ge wichtsausgleichsmechanismen derart einzustellen, dass sich deren Versorgungsleitungen grundsätzlich auf unterschiedlichen Höhenniveaus bewegen. Auch diese Maßnahme verringert die Kollisionsgefahr beim Wechsel zwischen zwei Auftragsköpfen.
[0047] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist der Werkstück träger beweglich, wobei der Werkstückträger weitere Bewegungsfreiheitsgrade bereit stellt. Auf diese Weise ist es möglich, das Werkstück bzw. dessen Bauplattform in ge- wünschter Weise relativ zu den Raumachsen bzw. relativ zum Auftragskopf auszurichten. Dies kann bei verschiedenen Verfahren zur additiven Fertigung, insbesondere auch bei DED, von Vorteil sein, bei denen eine bestimmte Ausrichtung des Auftragskopfes relativ zur Vertikalen gewünscht ist.
[0048] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist der Werkstück träger als Tisch oder Plattform ausgebildet, insbesondere als Werkstückauflage. Es ist vorstellbar, den Werkstückträger beweglich zu gestalten, etwa um eine B-Achse (Rotation um Y) oder eine C-Achse (Rotation um Z) bereitzustellen.
[0049] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung umfasst der Werk stückträger eine Spanneinrichtung, die eine Rotationsachse des Werkstücks definiert. Beispielhaft ist der Werkstückträger als Spanneinrichtung einer Werkstückspindel ausge staltet. Auf diese Weise kann eine A-Achse für das Werkstück bereitgestellt werden, ähnlich einer Drehmaschine. Dies ist insbesondere bei länglichen, wellenartigen Werkstü cken vorstellbar, beispielsweise bei solchen mit zumindest abschnittsweise rotationssym metrischer Gestaltung.
[0050] Beispielhaft kann eine solche Konfiguration für Bauprozesse genutzt werden, bei denen auf einem schon existierenden Werkstück Material aufgebaut wird, beispielsweise zur Beschichtung.
[0051] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist zumindest einer, vorzugsweise jeder Parkposition eine Haube zugeordnet, die das Koppelstück eines geparkten Auftragskopfes zumindest teilweise abdeckt. Gemäß einer weiteren beispiel haften Ausgestaltung ist die Haube in eine Ausweichposition verfahrbar, um das Koppel stück freizugeben. Auf diese Weise kann das Koppelstück des Auftragskopfes vor über mäßigen Verschmutzungen geschützt werden.
[0052] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung weist die Handha bungseinrichtung eine kartesische Kinematik mit kartesischen Achsen auf. Mit anderen Worten orientiert sich die Handhabungsvorrichtung an einem klassischen X-Y-Z Koordina- tensystem und stellt für zumindest einige der Richtungen X-Y-Z lineare Achsen und/oder Drehachsen bereit. Es gibt also für zumindest einige der Bewegungsrichtungen Führun gen und Schlitten, die Bewegungen genau entlang der jeweiligen Achse ermöglichen.
Dies umfasst Linearbewegungen. Gleichfalls gibt es für zumindest einige der Bewegungs richtungen Drehantriebe, die Rotationsbewegungen um genau die jeweilige Achse ermöglichen.
[0053] Zumindest in beispielhaften Ausgestaltungen der Offenbarung wird zur Beschreibung von Bewegungen und Bewegungsbahnen auf ein klassisches konventionel les X-Y-Z Koordinatensystem zurückgegriffen. Dies ist nicht einschränkend zu verstehen. Bei klassischen Werkzeugmaschinen (Fräsmaschinen und Ähnliches) bezeichnet die Z- Achse üblicherweise die Vertikale. Die X- und die Y-Achse sind horizontale Achsen, die gemeinsam eine Florizontalebene definieren. Die X-Achse beschreibt üblicherweise eine Querachse. Die Y-Achse beschreibt üblicherweise eine Tiefenachse. Diese Nomenklatur kann zumindest zu Veranschaulichungszwecken auf die Gestaltung von Anlagen zur additiven Fertigung übertragen werden. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird diese Nomenklatur auch zur Beschreibung von Flandhabungseinrichtungen verwendet, die nicht zwingend auf einer kartesischen Kinematik aufbauen.
[0054] Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung umfasst die Hand- habungseinrichtung einen Roboter. Der Roboter ist beispielhaft als Gelenkarmroboter gestaltet. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Roboter als Roboter mit serieller Kinematik ausgebildet.
[0055] Die Verwendung eines Roboters als Bestandteil der Handhabungsein- richtung, vorzugsweise als wesentlicher Bestandteil der Flandhabungseinrichtung für die Auftragsköpfe, hat den Vorteil, dass die Parkpositionen einzelner Auftragsköpfe innerhalb des gegebenen Bewegungsraums des Roboters im Arbeitsraum gewählt werden können. Somit können die Parkpositionen voneinander beabstandet werden.
[0056] Die Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit, die der Roboter bereitstellt, genügt für Zwecke der additiven Fertigung. Mit anderen Worten kann der Roboter für die Feinpositionierung und die Vorschubbewegung des Auftragskopfes genutzt werden.
[0057] Es versteht sich, dass die Handhabungsvorrichtung für die Feinpositio nierung und die eigentliche Vorschubbewegung während des Auftrages nutzbar ist, wenn eine genügend hohe Genauigkeit gegeben ist. Dies gilt unabhängig von der gewählten Kinematik (kartesische Kinematik, serielle Kinematik, etc.), wenn die Positioniergenauig keit und die Wiederholgenauigkeit ausreichend sind.
[0058] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
[0059] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und Erläuterung mehrerer beispielhafter Ausführungsbei spiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 : eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung einer Anlage zur additiven Fertigung;
Fig. 2: eine weitere perspektivische Darstellung der Anordnung gemäß Fig. 1 , in geänderter Orientierung, wobei das Gehäuse ausgeblendet ist;
Fig. 3: eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß den Figuren 1 und 2;
Fig. 4: eine perspektivische Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung einer
Anlage zur additiven Fertigung;
Fig. 5: eine weitere perspektivische Ansicht der Anordnung gemäß Fig. 4, in geän derter Orientierung; Fig. 6: eine vergrößerte, teilweise explodierte Teilansicht zur Veranschaulichung einer beispielhaften Ausgestaltung von Schnittstellen des Auftragskopfes;
Fig. 7: eine perspektivische Ansicht eines Auftragskopfes in einer Parkposition;
Fig. 8: eine auf Fig. 7 basierende Ansicht des Auftragskopfes, mit geänderter Per spektive, wobei der Auftragskopf in einer von der Parkposition beabstandeten Stellung gezeigt ist;
Fig. 9: eine vereinfachte, schematische Darstellung einer Ausführungsform eines
Auftragskopfes mitsamt den Schnittstellen zu Versorgungsleitungen und zu einer Handhabungseinrichtung in Form eines Roboters; und
Fig. 10: eine weitere vereinfachte, schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Auftragskopfes mitsamt den Schnittstellen zu Versorgungsleitungen und zu einer Handhabungseinrichtung in Form einer linearen, kartesischen Kine matik.
[0060] Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer insgesamt mit 10 be- zeichneten Anlage zur additiven Fertigung. Die Figuren 2 und 3 veranschaulichen weitere Ausgestaltungen und Merkmale der Anlage 10. In beispielhaften Ausgestaltungen handelt es sich bei der Anlage 10 um eine DED-Anlage. Eine solche Anlage umfasst beispiels weise eine Laserquelle, mit deren Hilfe Baumaterial auf ein Bauteil aufgetragen wird.
[0061] Die Anlage 10 umfasst eine Basis 12, die ein Gehäuse 18 trägt. Im Aus führungsbeispiel gemäß Fig. 1 umfasst das Gehäuse 18 eine Tür 20 und Wände 22, 24, 26, 28. Das Gehäuse 18 definiert einen Arbeitsraum 32. Im Arbeitsraum ist eine zentrale Handhabungseinrichtung 36 angeordnet, welche im Ausführungsbeispiel durch einen Manipulator in Form eines Roboters 38 gebildet ist. Die zentrale Handhabungseinrichtung 36 ist für die Hauptfunktion, den eigentlichen Materialaufbau, nutzbar, aber auch für den Wechsel der Arbeitsköpfe/Auftragsköpfe. Dies wird nachfolgend näher veranschaulicht. [0062] In zumindest einigen der Figuren 1 bis 10 ist aus Veranschaulichungs gründen ein kartesisches Koordinatensystem X-Y-Z mit zugehörigen Rotationsachsen A- B-C (Fig. 2) dargestellt. Die Achsen X und Y sind im Ausführungsbeispiel horizontale Achsen. Die Achse Z ist eine vertikale Achse. Aus Sicht des Bedieners ist die Achse X eine Querachse und die Achse Y eine Tiefenachse. Die Achse A beschreibt Rotationen um die Achse X. Die Achse B beschreibt Rotationen um die Achse Y. Die Achse C beschreibt Rotationen um die Achse Z. Es versteht sich, dass die als Roboter 38 gestalte te Flandhabungseinrichtung 36 ein anderes internes Koordinatensystem zur Steuerung des Roboters nutzen kann. Gleichwohl kann das kartesische Koordinatensystem X-Y-Z als Werkstückkoordinatensystem verwendet werden. Der Fachmann kann das Koordina tensystem X-Y-Z bedarfsweise in andere Koordinatensysteme überführen. Das Koordina tensystem X-Y-Z dient vorrangig zu Veranschaulichungszwecken und ist daher nicht einschränkend zu interpretieren.
[0063] Im Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 bis 3 ist die Anlage 10 da zu ausgebildet, eine Mehrzahl von Auftragsköpfen 40, 42, 44 zu nutzen. Die Auftragsköp fe 40, 42, 44 können sich strukturell und/oder hinsichtlich der genutzten Parame ter/Werkstoffe unterscheiden. Beispielhaft ist zumindest einer der Auftragsköpfe 40, 42,
44 zur Verarbeitung von Drahtmaterial und zumindest ein anderer der Auftragsköpfe 40, 42, 44 zur Verarbeitung von Pulvermaterial ausgebildet. Ferner verarbeiten die Auftrags köpfe 40, 42, 44 in anderen Ausführungsbeispielen unterschiedliche Materialien, um das Anwendungsfeld der Anlage 10 zu erweitern. Auch können sich die Auftragsköpfe 40, 42, 44 hinsichtlich der genutzten Optiken, Materialzufuhreinheiten und anderer Elemente unterscheiden. Insgesamt ergibt sich somit für die Anlage 10 eine hohe Flexibilität.
[0064] Beispielhaft können sich die Auftragsköpfe 40, 42, 44 bei drahtbasierten Verfahren hinsichtlich Material, Durchmesser des Drahts, Düse und/oder Optik unter scheiden. Beispielhaft können sich die Auftragsköpfe 40, 42, 44 bei pulverbasierten Verfahren hinsichtlich Material, Körnung der Pulverpartikel, Düse und/oder Optik unter scheiden. Dies ist nicht einschränkend zu verstehen.
[0065] Es ist auch vorstellbar, dass zumindest einige der Auftragsköpfe 40, 42, 44 strukturell gleich gestaltet sind, aber unterschiedliche Materialien verarbeiten. [0066] Es versteht sich, dass grundsätzlich auch mehrere Auftragsköpfe 40, 42, 44 desselben Typs und mit der gleichen Funktion nutzbar sind. Auf diese Weise erhöht sich die Verfügbarkeit der Anlage 10, da Redundanz gegeben ist, falls einer der Auftrags köpfe 40, 42, 44 repariert oder gewartet werden muss.
[0067] Der Auftragskopf 40 ist an der Handhabungseinrichtung 36 aufgenom men und kann über diese bewegt werden. Der Auftragskopf 40 kann über seine Auftrags spitze 46 (vergleiche auch TCP - Tool Center Point) Material ausgeben und auftragen.
Der Auftragskopf 40 befindet sich folglich in einer Arbeitsposition bzw. in einem Arbeits modus.
[0068] Die Auftragsköpfe 42, 44 befinden sich in einer Parkposition bzw. einem Ruhemodus. In den Figuren 2 und 3 sind Parkpositionen 48, 50 für die Auftragsköpfe 42, 44 angedeutet. Die Parkpositionen 48, 50 werden im Ausführungsbeispiel durch geeigne te Aufnahmen an den Wänden 22, 24, 26, 28 des Gehäuses 18 bereitgestellt. Fig. 1 veranschaulicht, dass im Ausführungsbeispiel der Kopf 42 an der Wand 22 aufgenommen ist, und dass der Kopf 44 an der Wand 24 aufgenommen ist. In der jeweiligen Parkpositi on 48, 50 ruhen die Auftragsköpfe 40, 42, 44. In Fig. 2 ist mit 52 eine Parkstation ange deutet, welche im Ausführungsbeispiel jeweils eine der Parkpositionen 48, 50 für die Auftragsköpfe 40, 42, 44 definiert.
[0069] In den hierin gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Anlage 10 nicht dazu ausgestaltet, Material abzutragen. Gleichwohl ist dies nicht einschränkend zu verstehen. Jedoch ist die Anlage 10 in wesentlichen Ausführungsbeispielen mit zumindest zwei Parkpositionen 48, 50 für Auftragsköpfe 40, 42, 44 versehen. Demgemäß sind in wesentlichen Ausführungsbeispielen zwei oder mehr Auftragsköpfe 40, 42, 44 vorgese hen, zwischen denen gewechselt werden kann.
[0070] Ein Wechsel zwischen den Auftragsköpfen 40, 42, 44 umfasst eine me chanische Kopplung zwischen dem gewählten Auftragskopf 40, 42, 44 und der Handha bungseinrichtung 36. Ein Hauptaspekt der vorliegenden Offenbarung liegt darin, neben der notwendigen mechanischen Kopplung auf zusätzliche Koppelvorgänge für Versor gungsleitungen nach Möglichkeit zu verzichten.
[0071] Daher ist im Ausführungsbeispiel jeder der Auftragsköpfe 40, 42, 44 über eine jeweilige Schleppkette 56, 58, 60 permanent mit Versorgungseinrichtungen (nicht explizit dargestellt) verbunden. Die Schleppketten 56, 58, 60 stellen eine Führung für Versorgungsleitungen 62, 64, 66 bereit. In beispielhaften Ausgestaltungen beherber gen die Schleppketten 56, 58, 60 die Versorgungsleitungen 62, 64, 66, so dass die Versorgungsleitungen 62, 64, 66 durch die Schleppketten 56, 58, 60 geschützt sind. Jede der Schleppketten 56, 58, 60 umfasst eine oder mehrere Versorgungsleitungen 62, 64,
66. Sofern eine Schleppkette 56, 58, 60 mehrere Versorgungsleitungen 62, 64, 66 beher bergt, kann man von einem Leitungsbündel sprechen.
[0072] Bei einem Wechsel zwischen den Auftragsköpfen 40, 42, 44 muss die jeweilige Schleppkette 56, 58, 60 nicht abgekoppelt/angekoppelt werden. Da die Schlepp ketten 56, 58, 60 mit den Versorgungsleitungen 62, 64, 66 permanent mit den Auftrags köpfen 40, 42, 44 verbunden sind, vereinfacht sich der Wechsel zwischen verschiedenen Auftragsköpfen 40, 42, 44 deutlich. Nebenzeiten können minimiert werden. Die Anlage 10 ist hochverfügbar und flexibel einsetzbar. In Fig. 3 ist mit 68 eine Schnittstelle zwischen dem Auftragskopf 40 und der Schleppkette 56 mit der zumindest einen Versorgungslei tung 62 angedeutet (vergleiche auch Fig. 7).
[0073] Die Anlage 10 gemäß den Figuren 1 bis 3 weist einen Werkstückträger 72 auf, der im Ausführungsbeispiel als Spindel 76 mit einer Spanneinrichtung 74 für ein Werkstück gestaltet ist. Der Spanneinrichtung 74 ist beispielhaft ein Reitstock 78 zuge ordnet. Folglich kann der Werkstückträger 72 ähnlich einer Drehbank betrieben werden, so dass Werkstücke in definierte Drehbewegungen um eine Achse A (Rotation um die X- Achse) versetzt werden können. Die Gestaltung mit dem Werkstückträger 72 bietet sich zur additiven Fertigung/Reparatur/Modifikation wellenförmiger Bauteile an. Ferner kann sich die Anwendung auch auf die Beschichtung wellenförmiger Bauteile beziehen. Eine Beschichtung kann als Außenbeschichtung oder Innenbeschichtung erfolgen. [0074] Zwischen der Handhabungseinrichtung 36 und den Auftragsköpfen 40, 42, 44 ist eine Schnittstelle in Form einer Kupplung 80 vorgesehen, vergleiche Fig. 3 und die ergänzenden Darstellungen in den Figuren 6 bis 8). Im Gegensatz zur Schnittstelle 68 für die Versorgungsleitungen 62, 64, 66 wird die Schnittstelle/Kupplung 80 beim Wechsel zwischen zwei Auftragsköpfen 40, 42, 44 tatsächlich geöffnet und geschlossen.
[0075] Die Kupplung 80 umfasst eine Aufnahme 82 bei der Handhabungsein richtung 36 und ein Kopplungsstück 84 bei den Auftragsköpfen 40, 42, 44, vergleiche wiederum die Figuren 6 bis 8. Mit anderen Worten weist die Handhabungseinrichtung 36 einen Greifer o. ä. auf, um einen der Auftragsköpfe 40, 42, 44 an einer definierten Gegen kontur greifen und halten zu können.
[0076] Die Figuren 1 bis 3 veranschaulichen ferner einen Gewichtsausgleichs mechanismus 88, der den Wechsel zwischen verschiedenen Auftragsköpfen 40, 42, 44 vereinfacht. Im Ausführungsbeispiel umfasst der Gewichtsausgleichsmechanismus 88 beispielsweise zwei oder mehr sogenannte Balancer 90, 92, welche auch als Gewicht sausgleicher bezeichnet werden können. Die Balancer 90, 92 sind jeweils einer der Schleppketten 56, 58, 60 zugeordnet. Es versteht sich, dass auch drei oder mehr Balan cer 90, 92 vorstellbar sind. Der Gewichtsausgleichsmechanismus 88 trägt dazu bei, Kollisionen oder gar Verdrillungen zwischen den Schleppketten 56, 58, 60 und den in diesem aufgenommenen Versorgungsleitungen 62, 64, 66 zu vermeiden. Diese Gestal tung trägt dazu bei, dass die Auftragsköpfe 40, 42, 44 relativ frei zwischen den jeweiligen Parkpositionen 48, 50 und der Handhabungseinrichtung 36 ausgetauscht werden können, zumindest in beispielhaften Ausgestaltungen. Die Handhabungseinrichtung 36 selbst ist dazu ausgestaltet, die Auftragsköpfe 40, 42, 44 aus den Parkpositionen 48, 50 abzuholen bzw. dort abzulegen. Dies erfordert ein hohes Maß an Bewegungsfreiheit. Der Gewichts ausgleichsmechanismus 88 trägt in diesem Zusammenhang dazu bei, Kollisionen, ein Verhaken und Ähnliches zu minimieren oder zu vermeiden. Einer Schleppkette 56, 58, 60 können auch zwei oder mehr Balancer 90, 92 zugeordnet sein.
[0077] In beispielhaften Ausgestaltungen sind die Parkpositionen 48, 50 für die Auftragsköpfe 40, 42, 44 hinreichend weit voneinander beabstandet. Beispielsweise sind die Parkpositionen 48, 50 für die Auftragsköpfe 40, 42, 44 auf verschiedenen Höhenni- veaus (Z-Position) des Gehäuses 18 angeordnet. In beispielhaften Ausgestaltungen befinden sich die Parkpositionen 48, 50 an verschiedenen Wänden 22 (Parkposition 48), 24 (Parkposition 50) des Gehäuses 18. Auch dies vereinfacht den Wechsel zwischen verschiedenen Auftragsköpfen 40, 42, 44.
[0078] Fig. 3 veranschaulicht ferner anhand gestrichelter Bereiche eine bei spielhafte Ausdehnung eines Bauraums 34 innerhalb des Arbeitsraums 32 sowie eine beispielhafte Ausdehnung eines Bewegungsraums 94 der Handhabungseinrichtung 36. Der Bauraum 34 entspricht im Ausführungsbeispiel dem bei der gegebenen Konfiguration denkbaren Bauraum innerhalb des Arbeitsraums 32, in dem Material aufgetragen werden kann. Der Bauraum 34 beansprucht im Ausführungsbeispiel lediglich einen Teil des Bewegungsraums 94 bzw. des Arbeitsraums 32. In beispielhaften Ausgestaltungen sind der Arbeitsraum 32 und der Bewegungsraum 94 weitgehend deckungsgleich. Es sind jedoch auch Gestaltungen denkbar, bei denen es Unterschiede zwischen Arbeitsraum 32 und Bewegungsraum 94 gibt. Eine Handhabungseinrichtung 36 in Form eines Roboters 38 hat üblicherweise einen größeren Bewegungsraum 94 als eine Handhabungseinrich tung in Form einer kartesischen Kinematik, dies ist jedoch nicht einschränkend zu verste hen.
[0079] Insbesondere dann, wenn die Handhabungseinrichtung 36 einen Robo ter 38 umfasst, ist ein beträchtlicher Bewegungsraum 94 gegeben. Der Bewegungsraum 94 kann sich in beispielhaften Ausgestaltungen sogar über die Tür 20 hinaus erstrecken, etwa für einen Werkstückwechsel. Somit können Parkpositionen 48, 50 für Auftragsköpfe 40, 42, 44 hinreichend voneinander beabstandet im Gehäuse 18 innerhalb des Arbeits raums 32 bzw. des Bewegungsraums 94 angeordnet sein. Somit sind zwar einerseits beim Wechsel der Auftragsköpfe 40, 42, 44 relativ große Wege zu überbrücken. Anderer seits stellt die Handhabungseinrichtung 36 einen genügend großen Bewegungsraum 94 bereit. Somit kann der Bewegungsraum 94 für eine großzügige Anordnung der Auftrags köpfe 40, 42, 44 sowie der Schleppketten 65, 58, 60 genutzt werden.
[0080] In Ergänzung zu den Figuren 1 bis 3 veranschaulichen die Figuren 4 und 5 eine alternative Ausgestaltung der Anlage 10. Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 4 und 5 weist einen abgewandelten Werkstückträger 172 auf, der einen Drehtisch 174 und einen Schwenkantrieb 176 umfasst.
[0081] In der gezeigten Schwenkorientierung erlaubt der Drehtisch 174 Dreh bewegungen/Schwenkbewegungen um die Z-Achse. Folglich stellt der Drehtisch 174 eine C-Achse bereit. Der Schwenkantrieb 176 erlaubt Drehbewegungen/Schwenkbewegungen um die Y-Achse. Folglich stellt der Schwenkantrieb 176 eine B-Achse bereit. Die Gestal tung des Werkstückträgers 172 des Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren 4 und 5 ähnelt einem schwenkbaren Drehtisch mit B-Achse und C-Achse für eine 5-Achs- Fräsmaschine. Im Gegensatz dazu ähnelt der in den Figuren 1 bis 3 veranschaulichte Werkstückträger 72 einer Spindel einer Drehbank. Der Werkstückträger 172 eignet sich für diverse Bauteile und Einsatzzwecke.
[0082] Selbst dann, wenn die Flandhabungsvorrichtung 36 (vergleiche den Ro boter 38) eine Vielzahl an Bewegungsfreiheitsgraden bereitstellt, so kann es von Vorteil sein, auch die Werkstückauflage (Werkstückträger 72, 172) mit Bewegungsfreiheitsgra den zu versehen. Damit wird in beispielhaften Ausgestaltungen ein Werkstückauftrag "von oben" oder zumindest im Wesentlichen "von oben" ermöglicht. Dies bietet sich bei sol chen Auftragsköpfen 40, 42, 44 an, die bevorzugt in vertikaler Orientierung operieren. Die Gestaltung der Werkstückträger 72, 172 ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen. Andere Gestaltungen mit mehr oder weniger Freiheitsgraden sind vorstellbar.
[0083] Im Übrigen dienen die Figuren 4 und 5 zur weiteren Veranschaulichung der übrigen Komponenten der Anlage 10, vergleiche die Flandhabungseinrichtung 36, die Auftragsköpfe 40, 42, 44 mit den Schnittstellen 68 für die Schleppketten 56, 58, 60 mit den Versorgungsleitungen 62, 64, 66. Es versteht sich, dass die Schleppketten 56, 58, 60 jeweils mehrere Versorgungsleitungen 62, 64, 66 beherbergen können, zumindest in beispielhaften Ausgestaltungen. Wenn mehrere Versorgungsleitungen 62, 64, 66 bei einer Schleppkette 56, 58, 60 vorgesehen sind, so können diese insgesamt als Leitungsbündel bezeichnet werden. [0084] In Ergänzung zu den Figuren 1 bis 5 veranschaulichen die Figuren 6, 7 und 8 eine beispielhafte Ausgestaltung eines Auftragskopfes 40 zur Verwendung bei der Anlage 10. Den Figuren 6, 7 und 8 ist ferner eine beispielhafte Ausgestaltung einer Parkstation 52 für den Auftragskopf 40 entnehmbar. Fig. 6 veranschaulicht den Auftrags kopf 40 in einem gelösten Zustand, in dem der Auftragskopf 40 insbesondere aus Veran schaulichungsgründen von der Handhabungseinrichtung 36 aber auch von der Befesti gungsposition an der zugehörigen Wand 22, 24 beabstandet ist. Auf diese Weise sind die bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen Schnittstellen sichtbar. Der Auftragskopf 40 weist ein Kopplungsstück 84 auf. Die Handhabungseinrichtung 36 weist eine Aufnahme 82 auf. Das Koppelstück 84 ist in der Darstellung in Fig. 7 im entkoppeln Zustand gezeigt. Gemeinsam bilden die Aufnahme 82 und das Koppelstück 84 die Kupplung 80, also eine Schnittstelle zwischen dem Auftragskopf 40 und der Handhabungseinrichtung 36. In Fig. 6 und Fig. 7 ist ferner die Schnittstelle 68 dargestellt, an der die Schleppkette 56 mit der zumindest einen Versorgungsleitung 62 ankoppelt. Fig. 8 zeigt den Auftragskopf 40 mit angekoppelter Schleppkette 56. Im Normalbetrieb der Anlage 10 ist die Schnittstelle 68 permanent geschlossen, zumindest in beispielhaften Ausgestaltungen.
[0085] Fig. 7 veranschaulicht den Auftragskopf 40 in seiner Parkposition in der Parkstation 52. Die Parkstation 52 umfasst im Ausführungsbeispiel eine Haube 96. In der Parkposition ist der Auftragskopf 40 in der Haube 96 angeordnet. Fig. 8 veranschaulicht den Auftragskopf 42 in einer von der Haube 96 beabstandeten Stellung. Zur sicheren und definierten Aufnahme in der Haube 96 ist der Auftragskopf 40 an seiner dem Kopplungs stück 84 abgewandten Seite mit einer Kupplung 98 versehen. Der Kupplung 98 ist bei der Parkstation 52 ein korrespondierendes Gegenstück in Form einer Halteaufnahme 100 zugeordnet (vergleiche Fig. 6 und Fig. 8). Damit wird gewährleistet, dass der Auftragskopf 40 sicher und wiederholgenau geparkt werden kann. Die Haube 96 schützt sensible Komponenten des Auftragskopfes 40, insbesondere im Bereich von dessen Auftragsspit ze 46. Die Parkstation 52 mit der Haube 96 ist im Ausführungsbeispiel über ein Montage stück 102 (vergleiche ebenso Fig. 6 und Fig. 8) an einer der Wände 22, 24 (bzw. 26, 28) des Gehäuses 18 befestigt, vergleiche Fig. 3.
[0086] Gemeinsam veranschaulichen die Figuren 6 bis 8 ein Ausführungsbei spiel der Parkstation 52, bei dem die Haube 96, die das Koppelstück 84 des Auftragskop- fes 40 im geparkten Zustand abdeckt, über eine Führung 104 beweglich am Montage stück 102 bzw. der Halteaufnahme 100 angeordnet ist. Mit anderen Worten kann die Haube 96 ausweichen, damit der Auftragskopf 40 von der Handhabungseinrichtung 36 an der Halteaufnahme 100 abgesetzt oder von dieser abgeholt werden kann.
[0087] In den Figuren 6 bis 8 veranschaulicht der Doppelpfeil 106 diese Aus weichbewegung, im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine vertikale Bewegung. In den Figuren 6 und 8 ist die Haube 96 in einer Ausweichposition gezeigt. In Fig. 7 befindet sich die Haube 96 in einer Parkposition, in der die Haube 96 das Koppelstück 84 abdeckt (dieses ist in Fig. 7 verdeckt und daher gestrichelt dargestellt). Mit anderen Worten wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Haube 96 in eine Ausweichposition verfahren, damit die Handhabungseinrichtung 36 mit der Aufnahme 82 an das Koppelstück 84 ankoppeln kann. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Koppelstück 84 in der Parkposition des Auftragskopfes 40 zumindest teilweise durch die Haube 96 abgedeckt. Damit können Verschmutzungen des Koppelstücks 84 reduziert oder gar vermieden werden.
[0088] Die Figuren 9 und 10 veranschaulichen ergänzend anhand vereinfach ter, schematischer Darstellungen die Kopplung zwischen dem Auftragskopf 40 und der jeweils zugeordneten Handhabungseinrichtung 36, 136.
[0089] In Fig. 9 ist neben dem Auftragskopf 40 eine Handhabungseinrichtung 36 mit einem Roboter 38 dargestellt, analog zu den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 bis 5. Zwischen dem Auftragskopf 40 und der Handhabungseinrichtung 36 ist eine Kupplung 80 vorgesehen, welche durch die Aufnahme 82 und das Koppelstück 84 gebildet ist. In Fig. 9 ist ferner eine Überwachungssensorik mit zwei Sensoren 108, 110 zur Überwachung des Kopplungszustands angedeutet.
[0090] Der Auftragskopf 40 weist ferner eine Schnittstelle 68 zur Verbindung mit der Schleppkette 56 auf. Die Schleppkette 56 dient als Führung für eine Mehrzahl von Versorgungsleitungen 112, 114, 116, 118, 120. [0091] Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 handelt es sich bei der Versor gungsleitung 112 um einen Lichtleiter, insbesondere für Laserlicht. Auf diese Weise kann Energie in die Auftragsspitze 46 des Auftragskopfes 40 eingebracht werden.
[0092] Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Versorgungsleitung 114 um eine Materialzufuhr. Die Versorgungsleitung 114 ist beispielhaft zur Drahtzuführung oder zur Pulverzuführung ausgestaltet.
[0093] Im Ausführungsbeispiel ist die Versorgungsleitung 116 zur Versorgung mit einem Fluid, insbesondere mit einem Prozessgas, einem Schutzgas und/oder einem Kühlmittel ausgestaltet. Die Versorgungsleitung 116 kann allgemein zur Fluidversorgung ausgebildet sein.
[0094] Im Ausführungsbeispiel ist die Versorgungsleitung 118 zur Versorgung mit (elektrischer) Energie ausgestaltet. Auf diese Weise können Antriebe, Steuereinrich tungen und Ähnliches mit Energie versorgt werden. Als Verbraucher ist in Fig. 9 mit 124 ein Aktuator angedeutet. Bei dem Aktuator kann es sich etwa um einen Fokusantrieb für eine Optikbaugruppe und/oder um einen Vorschubantrieb für die Materialversorgung (beispielsweise Drahtvorschub) handeln.
[0095] Im Ausführungsbeispiel ist die Versorgungsleitung 120 zur Versorgung mit Daten, also zum Datenaustausch ausgebildet. Als Ziel und Quelle für den Datenaus tausch ist in Fig. 9 beispielhaft mit 126 eine Steuereinheit angedeutet. In ähnlicher Weise können auch Sensoren vorgesehen sein, die über die Versorgungsleitung 120 kommuni zieren.
[0096] Es versteht sich, dass die beispielhafte Ausgestaltung gemäß Fig. 9 nicht einschränkend zu verstehen ist. Über die Schnittstelle 68 können auch weitere oder weniger Versorgungsleitungen verlaufen. Wesentlich ist, dass zumindest eine, vorzugs weise mehrere der Versorgungsleitungen 114, 114, 116, 118, 120 nicht getrennt werden muss/müssen, wenn der Auftragskopf 40 gewechselt wird. [0097] Die beispielhafte Ausführungsform gemäß Fig. 10 unterscheidet sich von der Darstellung gemäß Fig. 9 vorrangig durch die Gestaltung der Flandhabungsein- richtung 136. Die Flandhabungseinrichtung 136 weist eine lineare (kartesische) Kinematik 138 auf. Mit anderen Worten umfasst die Flandhabungseinrichtung 136 in diesem Ausfüh- rungsbeispiel keinen Roboter. Auch mit der konventionellen linearen Kinematik 138 lässt sich eine Anlage zur additiven Fertigung realisieren. Die Flandhabungseinrichtung 136 ist sowohl für den eigentlichen Aufbau am Werkstück als auch für den Wechsel von Auf tragsköpfen nutzbar.
[0098] In dem schematischen Ausführungsbeispiel umfasst die Flandhabungs- richtung 136 einen Z-Schlitten 140, der an einer Z-Führung 142 angeordnet ist. Die Z- Führung 142 ist auf einem Y-Schlitten 144 angeordnet, der auf einer Y-Führung 146 gelagert ist. Es versteht sich, dass in ähnlicher Weise auch ein X-Schlitten vorgesehen sein kann, der an einer X-Führung angeordnet ist. Aus Veranschaulichungsgründen ist dies in Fig. 10 nicht gezeigt.

Claims

Patentansprüche
1. Anlage zur additiven Fertigung, insbesondere mittels Direct Energy Deposition, die Folgendes aufweist: eine Handhabungseinrichtung (36, 136) mit einer Aufnahme (82) zur Aufnahme eines Auftragskopfes (40, 42, 44), einen Werkstückträger (72, 172), der einem Arbeitsraum (32) zugeordnet ist, der für einen an der Handhabungseinrichtung (36, 136) aufgenommenen Auftragskopf (40, 42, 44) erreichbar ist, zumindest einen Auftragskopf (40, 42, 44), der zur Materialbereitstellung sowie zur Bereitstellung von Energie zum Schmelzen des Materials ausgebildet ist, wobei der Auftragskopf (40, 42, 44) an der Aufnahme (82) der Handhabungseinrichtung (36, 136) aufnehmbar ist, zumindest zwei Parkpositionen (48, 50) für Auftragsköpfe (40, 42, 44) innerhalb des Bewegungsraums (94) der Handhabungseinrichtung (36, 136), insbesondere innerhalb des Arbeitsraums (36), wobei der zumindest eine Auftragskopf (40, 42, 44) ein Koppelstück (84) zur An kopplung an die Aufnahme (82) aufweist, und wobei der zumindest eine Auftragskopf (40, 42, 44) sowohl in einer Arbeitsposition, in der der zumindest eine Auftragskopf (40, 42, 44) an der Handhabungseinrich tung (36, 136) aufgenommen ist, als auch in der Parkposition (48, 50) mit zumin dest einer Versorgungsleitung (62, 64, 66) verbunden ist.
2. Anlage nach Anspruch 1 , wobei zumindest zwei Auftragsköpfe (40, 42, 44) vorge sehen sind, von denen zumindest einer in einer Parkposition (48, 50) angeordnet ist.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest drei Parkpositionen (48, 50) vorgesehen sind.
4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aufnahme (82) und das Koppelstück (84) eine mechanische Kupplung (80) zwischen der Handhabungsein richtung (36, 136) und dem zumindest einen Auftragskopf (40, 42, 44) zur Bewe- gungsmitnahme des Auftragskopfes (40, 42, 44) durch die Handhabungseinrich tung (36, 136) erzeugen.
5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zumindest eine Versorgungs leitung (62, 64, 66) zur Prozessenergieversorgung ausgebildet ist, insbesondere als Lichtleiter zur Versorgung mit energiereicher Strahlung.
6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zumindest eine Versorgungs leitung (62, 64, 66) zur Materialversorgung ausgebildet ist, insbesondere zur Ver sorgung mit Pulvermaterial oder Drahtmaterial.
7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zumindest eine Versorgungs leitung (62, 64, 66) zur Fluidversorgung ausgebildet ist.
8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zumindest eine Versorgungs leitung (62, 64, 66) zur Energieversorgung ausgebildet ist, insbesondere zur Ver sorgung von Aktuatoren und/oder Antrieben am Auftragskopf (40, 42, 44).
9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zumindest eine Versorgungs leitung (62, 64, 66) zur Datenübertragung ausgebildet ist, insbesondere zur bidi rektionalen Datenübertragung.
10. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der zumindest eine Auftragskopf (40, 42, 44) sowohl in der Arbeitsposition als auch in der Parkposition (48, 50) mit mehreren Versorgungsleitungen (62, 64, 66) verbunden ist.
11. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zumindest zwei Parkpositi onen (48, 50) an einer Gehäusewand (22, 24, 26, 28) oder mehreren Gehäuse wänden (22, 24, 26, 28) angeordnet sind.
12. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei die zumindest zwei Parkpositi onen (48, 50) in zumindest zwei Vertikalpositionen angeordnet sind.
13. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die zumindest eine Versor gungsleitung (62, 64, 66), vorzugsweise zwei oder mehr Versorgungsleitungen (62, 64, 66) eines Auftragskopfes (40, 42, 44), in einer Schleppkette (56, 58, 60) aufgenommen ist.
14. Anlage nach Anspruch 13, wobei die Schleppkette als räumlich bewegliche Schleppkette (56, 58, 60) gestaltet ist, insbesondere als sogenannte 3D- Schleppkette.
15. Anlage nach Anspruch 13 oder 14, wobei ein Gewichtsausgleichsmechanismus (88) für zumindest eine Schleppkette (56, 58, 60) vorgesehen ist.
16. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Werkstückträger (72, 172) beweglich ist und weitere Bewegungsfreiheitsgrade bereitstellt.
17. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Werkstückträger (72, 172) einen Tisch (174) oder eine Plattform umfasst, insbesondere als Werkstückaufla ge.
18. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Werkstückträger (72, 172) eine Spanneinrichtung (74) umfasst, die eine Rotationsachse des Werkstücks de finiert.
19. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei zumindest einer, vorzugsweise jeder Parkposition (48, 50) eine Haube (96) zugeordnet ist, die das Koppelstück (84) eines geparkten Auftragskopfes (40, 42, 44) zumindest teilweise abdeckt, und wobei die Haube (96) vorzugsweise in eine Ausweichposition verfahrbar ist, um das Koppelstück (84) freizugeben.
20. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Handhabungseinrichtung (36, 136) eine lineare Kinematik (138) mit kartesischen Achsen aufweist.
21 . Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Handhabungseinrichtung (36, 136) einen Roboter (38) umfasst, insbesondere einen Gelenkarmroboter.
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