Bauplattform oder auf wenigstens eine auf der Bauplattform befindlichen

Materialschicht zur Herstellung eines Gegenstandes im Wege eines generativen

Herstellungsverfahrens

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Beschickung einer Materialschicht auf eine Bauplattform oder auf wenigstens eine auf der Bauplattform befindlichen Materialschicht zur Herstellung eines Gegenstandes im Wege eines generativen Herstellungsverfahrens, die relativ zu einem Materialreservoir und der Bauplattform längs einer Bewegungsebene linearbeweglich gelagert ist, zu der das Materialreservoir und die Bauplattform orthogonal auslenkbar sind.

Stand der Technik

Generative Fertigungsverfahren werden bereits seit vielen Jahren erfolgreich zur Herstellung dreidimensionaler Gegenstände eingesetzt, die im Wege iterativen Aufoder Aneinanderfügens von Schicht- oder Volumenelementen hergestellt werden. Als Ausgangsmaterialien steht eine Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe zur Verfügung, die sowohl in Pulver- oder Granulatform aber auch in Form von Fluiden bspw. als Suspensionen, vorliegen können.

Neben generativen Laminier- und Extrudiertechniken, die auch unter der Bezeichnung Laminated Object Manufacturing (LOM) bzw. Fused Deposition Modelling (FDM) bekannt sind, beziehen sich die weiteren Betrachtungen auf generative Herstellungsverfahren, bei denen zur Ausbildung eines dreidimensionalen Gegenstandes eine Vielzahl einzelner Materialschichten auf einer vorzugsweise vertikal absenkbaren Bauplattform nacheinander abgeschieden wird, die einzeln einem lokal selektiven Verfestigungsprozess unterzogen werden. Zur Illustration eines derartigen Herstellungsverfahrens sei auf die Figur 2 verwiesen, aus der eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Gegenstandes im Wege schichtweiser Materialabscheidung auf einer Bauplattform zu entnehmen ist.

Zur Bevorratung des zumeist in Pulver- oder Granulatform vorliegenden Materials 1 dient ein Materialreservoir 2, das aus einem nach oben offen ausgebildeten Behältnis besteht, dessen Boden 3 vertikal schrittweise nach oben verfahrbar ist. Durch geeignete Vertikaleinstellung des Behältnisbodens 3 überragt eine in der Schichtdicke vorgebbare Materialschicht 1' eine obere Abscheideebene 4, die sich unmittelbar an der oberen Behältnisöffnung des Materialreservoirs 2 anschließt. Mit Hilfe einer Abstreifvorrichtung 5, die im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 von links nach rechts linear beweglich verfahrbar ist, wird die die Abscheideebene 4 überragende Materialschicht 1 ' abgestreift und in Bewegungsrichtung der Abstreifvorrichtung 5 zu einer sich unmittelbar rechts anschließenden Bauplattform 6 geschoben. Die Bauplattform 6 ist gleichfalls vertikal absenkbar gelagert und relativ zur Abscheideebene 4 derart abgesenkt, so dass das von der Abstreifvorrichtung 5 mitgeführte Material in den schichtförmigen Bauraum zwischen der Abscheideebene 4 und der zu oberst auf der Bauplattform 6 bereits abgeschiedenen Materialschicht gleichmäßig verteilt aufgetragen werden kann. In dem dargestellten Beispiel befindet sich auf der Bauplattform 6 durch vorangegangene Abscheidevorgänge bereits aufgebrachtes Material, das in bestimmten Schichtbereichen verfestigt worden ist. Zur lokalen Verfestigung der jeweils zu oberst aufgebrachten Materialschicht sind unterschiedliche Verfahrenstechniken bekannt. Im Rahmen des sogenannten selektiven Sintems werden in Abhängigkeit des jeweils eingesetzten Materials Laseroder Elektronenstrahlquellen eingesetzt, mit denen das auf der Bauplattform abgeschiedene Material örtlich leicht an- oder aufgeschmolzen wird, wodurch sich nach Abkühlung eine sich fest ausbildende Materialschicht ergibt. Neben den bekannten Bestrahlungstechniken, die eine Materialverfestigung auf Basis koagulativer Prozesse herbeiführen, können auch chemische Aktivatoren in Form sogenannter Binder mittels geeignet ausgebildeter Applikatoren, vorzugsweise in Form von Inkjet-Druckköpfen, lokal auf die oberste Materialschicht appliziert werden, wodurch die Pulver- bzw. Granulatteilchen innerhalb der Materialschicht miteinander verkleben und einen festen Haftverbund zu den darunter liegenden verfestigten Materialschichten herstellen. In Figur 2 ist ein derartiger Druckkopf mit dem Bezugszeichen 7 versehen, der horizontal über die zuoberst auf der Bauplattform 6 abgeschiedene Materialschicht längs der Bewegungsebene 4 ausdenkbar ist. Nur der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass sich rechts an der Bauplattform ein Auffangbehälter 8 befindet, in den das überschüssige Material von der Abstreifvorrichtung 5 eingebracht wird, das sich für eine Wiederverwendung eignet.

Von besonderem Interesse ist die Herstellung möglichst kompakter und homogen verteilter Materialschichten auf der Bauplattform, zu deren Realisierung unterschiedliche Werkzeuge eingesetzt werden können. In Figur 3a ist hierzu eine als rotierende Walze ausgebildete Abstreifvorrichtung 5 illustriert, die eine in Bewegungsrichtung (siehe Pfeildarstellung) vorgebbar große Materialportion 9 mit sich führt. Die rotierende Walze ist zur Bauplattform 6 bzw. zu einer bereits darauf befindlichen Materialschicht 10 derart vertikal beabstandet geführt, dass sich unmittelbar der Walze in Bewegungsrichtung nachfolgend eine gleichmäßige, „frische" Materialschicht 10' ausbildet. Durch geeignete Abstandseinstellung zwischen der rollenförmigen Abstreifvorrichtung 5 und der zuoberst auf der Bauplattform 6 bereits aufgebrachten Materialschicht 10 können minimale Schichtdicken von ca. 100 μm erzeugt werden. In Figur 3b ist eine klingenartig ausgebildete Abstreifvorrichtung 5 illustriert, die als Rakel oder Rakelklinge bezeichnet wird. Grundsätzlich erfolgt der Materialauftrag im Bereich der Bauplattform in der gleichen Weise wie im zuvor beschriebenen Fall der Bilddarstellung in Figur 3a.

Die Druckschrift DE 198 53 978 C1 zeigt einen Schieber, mit dem das Material von einem Materialreservoir abgestreift und schichtweise auf eine Bauplattform aufgetragen wird. Zusätzlich weist die Vorrichtung eine starr vor dem Schieber befestigte Schleifeinrichtung in Form einer mit Schleifmaterial beschichteten Walze auf, mit der die Oberfläche der bearbeiteten, d.h. mittels Laser aufgeschmolzenen, Schicht vor dem erneuten Materialauftrag geglättet wird. Zudem sind Auftragsverfahren bekannt, die Bürsten, Trichter oder Siebtechniken anwenden, in allen bekannten Fällen bilden sich jedoch nur leicht oder nur unzureichend vorverdichtete bzw. kompaktierte Materialschichten auf der Bauplattform aus, so dass selbst nach der weiteren Applikation von Strahlungsenergie oder chemischen Aktivatoren zu Verfestigung selektiver Schichtbereiche sogenannte Grünteile mit einer Grünteildichte entstehen, die es zu erhöhen gilt, zumal auf diese Weise hergestellte Bauteile zumeist weiteren Behandlungsschritten unterzogen werden, bspw. thermische Härtungsprozesse, die mit Materialschrumpfungen oder Formverzug verbunden sein können, die es zu vermeiden gilt, insbesondere in Fällen, in denen es sich bei den Gegenständen um Präzisionsteile bspw. Teile aus der Prothetik handelt.

Die US 5,637,175 A zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung eines generativen Fertigungsverfahren, bei dem Material aus einem über einer Bauplattform angeordnetem Materialreservoir auf die Bauplattform aufgebracht wird. Durch Verfahren der Bauplattform wird die Materialschicht an einer Glätteinrichtung geglättet und anschließend mittels einer stationär angeordneten Walze oder auch eines über Rollen geführten Bandes komprimiert.

Die Druckschrift DE 10 2006 019 860 A1 bezieht sich ein generatives Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten aus einem flüssigen, mittels Licht verfestigbaren Baumaterial. Dabei wird Baumaterial auf ein umlaufendes Band bzw. auf eine hin- und herbewegliche Folie aufgetragen und von dort möglichst blasenfrei auf ein Substrat übertragen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie auch ein Verfahren zur Beschickung einer Materialschicht auf eine Bauplattform oder auf wenigstens einer auf der Bauplattform befindlichen Materialschicht zur Herstellung eines Gegenstandes im Wege eines generativen Herstellungsverfahrens, vorzugsweise mittels selektiven Sintern oder 3D-Drucktechnik, die relativ zu einem Materialreservoir und der Bauplattform längs einer Bewegungsebene linear beweglich gelagert ist, zu der das Materialreservoir und die Bauplattform orthogonal auslenkbar sind, derart weiterzubilden, dass die im Bereich der Bauplattform aufzubringenden Materialschichten möglichst gleich verteilt und hoch verdichtet aufgebracht werden könne. Die lösungsgemäße Vorrichtung soll insbesondere die Verarbeitung unterschiedlicher Materialien ermöglichen, so insbesondere Trockenpulvermaterialien als auch pastöse, fluidische bzw. suspendierte Materialien ohne dabei die Qualität eines gleich zu verteilenden Materialschichtauftrages einzubüßen. Die mit der Vorrichtung und dem Verfahren erreichbare Gründichte sollte mindestens 30 %, vorzugsweise mindestens 40% betragen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 14 ist ein Verfahren zur Beschickung einer Materialschicht auf eine Bauplattform. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Die lösungsgemäße Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die zum Zwecke eines dosierten Materialübertrages von dem Materialreservoir in den Bereich der Bauplattform eingesetzte Abstreifvorrichtung ein um wenigstens zwei Formkörper gespannt umlaufendes Band vorsieht, das zumindest bereichsweise an den Formkörpern anliegt. Das Band wird von einem Antrieb in Umlauf um die wenigstens zwei Formkörper versetzt, wobei das Band in Bandlängserstreckung einen relativ zu wenigstens einem Formkörper fest zuordenbaren Bandabschnitt aufweist, der während der Bewegung der Abstreifvorrichtung von dem Materialreservoir zur Bauplattform zumindest bereichsweise mit dem Material derart in Berührung tritt, dass das Material von dem Materialreservoir abstreifbar und auf der Bauplattform derart auftragbar ist, dass die aufgetragene Materialschicht während des Auftragens komprimiert wird. Dieser Bandabschnitt weist einen dem Material zugewandte Bandflächenbereich auf, der gegenüber der Bewegungsebene, längs der sich die Abstreifvorrichtung linear bewegt, um einen Winkel α geneigt ist. Der Winkel α sollte ungleich 90° sein, vorzugsweise im Bereich zwischen 10° und 60° liegen.

Die nachfolgend auch als Bandapparat bezeichnete, lösungsgemäß ausgebildete Abstreifvorrichtung besteht in einer einfachsten Ausführungsvariante, die in Figur 1 schematisch illustriert ist, aus zwei Zylinderrollen 11 , 12, deren Rollenachsen zueinander parallel ausgerichtet sind. Um beide Zylinderrollen 11 , 12 ist ein Band 13 gespannt, das um beide Zylinderrollen 11 , 12 abrollbar gelagert ist. Wenigstens eine Zylinderrolle 1 1 ist elektromotorisch angetrieben, so dass das Band 13 eine der in Figur 1 entnehmbare Bandumlaufrichtung (siehe Pfeildarstellung) mit einer vorgebbaren Bandumlaufgeschwindigkeit v _Ro t aufweist. Der illustrierte Bandapparat wird relativ zur Bewegungsebene B, die der in Figur 2 illustrierten Abscheideebene 4 entspricht, in der in Figur 1 dargestellten Form von rechts nach links bewegt. Während der Linearbewegung überstreift die untere Zylinderrolle 12 mit dem um die Rolle umlaufenden Band 13 die über das Materialreservoir überstehende Materialschicht, die im Falle der Figur 2 der Materialschicht 1 ' entspricht, die sich als Materialportion in den keilförmig ausgebildeten Raumbereich R ansammelt, der einerseits vom dem dem Material zugewandten Bandflächenbereich 13' und andererseits von der Bewegungsebene B bzw. der Bauplattform oder der auf der Bauplattform bereits aufgebrachten Materialschichten eingeschlossen wird.

Aufgrund der Schrägstellung des Bandapparates um den Winkel α relativ zur Bewegungsebene B erfährt die von dem Materialreservoir 1 abgetragene Materialportion innerhalb des keilförmigen Raumbereiches R eine Vorkompression bedingt durch die Vorschubbewegung des Bandapparates und einer damit einhergehenden Materialstauwirkung in diesem Bereich. Hinzu kommt eine weitere, durch die Bandbewegung herrührende Material verdichtende Wirkung im Bereich der unteren Zylinderrolle 12. Das Band 13 wird um die Zylinderrolle 12 im Bereich der sich ausbildenden Materialschicht in Bewegungsrichtung des Bandapparates geführt, wodurch die sich ausbildende Materialschicht eine zusätzliche dynamische Verdichtung erfährt, zusätzlich zu einer über die Zylinderrolle 12 vertikal auf die Materialschicht wirkende verdichtende Kraft Fv. Die lösungsgemäße Vorrichtung vermag somit in zweifacher weise das zumeist in Pulverform vorliegende Schichtmaterial zu komprimieren, nämlich zum einen durch die Vorverdichtung der Materialportion im Wege eines Materialstaus im keilförmigen Raumbereich R, zum anderen während der Materialdeposition auf der Bauplattform bzw. auf einer auf der Bauplattform befindlichen Materialschicht, durch einen durch die Umlaufrichtung des Bandes unterstützten Anpressdruckes auf das zu deponierende Material.

Um ein Anhaften des pulverförmigen Materials am Band selbst zu vermeiden, eignet sich in vorteilhafter Weise eine Oberflächenbeschichtung des Bandes, beispielsweise mittels PTFE/Teflon und/oder mit einer Nanobeschichtung.

Je nach Art des gewählten aufzutragenden Materials sowie auch Form und Größe der Bauplattform lassen sich die Parameter betreffend der translatorischen Bewegung des Bandapparates, der Rotation des Bandes sowie auch eine vertikale Kraftfaufbringung über den Bandapparat auf die aufzubringenden Materialschicht variieren, so dass in Abhängigkeit entsprechender Prozessbedingungen die Parameter einer Optimierung unterzogen werden können.

Das der lösungsgemäßen Vorrichtung zugrunde liegende Verfahrensprinzip beruht somit auf der Verwendung eines um wenigstens zwei zueinander beabstandete Formkörper dynamisch umlaufenden Bandes, wobei das Band mit einem um einen Winkel α gegenüber der Bewegungsebene geneigt orientierten Bandbereich geführt wird, der unmittelbar dem Materialreservoir sowie der Bauplattform zugewandt ist und in Eingriff mit dem Material kommt. Hierbei wird der Bandbereich derart über das Materialreservoir geführt, dass eine oberste Materialschicht vom Materialreservoir abgestreift wird und in Form einer zwischen dem geneigt orientierten Bandbereich und der sich in Bewegungsrichtung an das Materialreservoir anschließenden Bauplattform eingeschlossenen Materialportion in den Bereich der Bauplattform überführt wird, in der sie unter Ausbildung einer oberflächigen Materialschicht gleichmäßig in verdichtender Weise verteilt wird. In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel zur Realisierung eines in Figur 1 schematisch dargestellten Bandapparates gezeigt, das zwei Zylinderrollen 11 , 12 (die mit dem Bezugszeichen 12 versehene Zylinderrolle ist durch das Band 13 verdeckt und somit nicht sichtbar) aufweist, die über einen Distanzhalter 14 mit jeweils parallel zueinander orientierten Zylinderrollenachsen mit fest vorgegebenen Abstand angeordnet sind. Der gegenseitige Abstand beider Zylinderrollen 11 , 12 ist über einen Exzentermechanismus 15 variabel einstellbar, wodurch die Spannung des um beide Zylinderrollen 1 1 , 12 umlaufenden Bandes 13 vorgegeben werden kann.

Um die Neigung zwischen beiden Zylinderrollen parallel aufgespannten Bandabschnitte 13', 13" relativ zur Bewegungsebene B variabel einstellen zu können, ist die obere Zylinderrolle 11 relativ zur unteren Zylinderrolle 12 über einen Schwenkmechanismus 16 drehbeweglich fixierbar angeordnet. Der gesamte Bandapparat bewegt sich relativ zu einem nicht dargestellten Materialreservoir sowie einer Bauplattform, wodurch eine fest vorgegebene Materialportion von Seiten des Materialreservoirs auf die Bauplattform übertragen wird.

In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen lösungsgemäß ausgebildeten Bandapparat schematisiert dargestellt, der über drei Formkörper in Form von Zylinderrollen 11 , 12, 12' verfügt, um die das Band 13 in der mit der Pfeildarstellung angegebenen Bandumlaufrichtung bewegt wird. Der mit der Bewegungsebene B um den Winkel α geneigte Bandabschnitt 17 tritt in Kontakt mit dem zu deponierenden Material und übt aufgrund der linear translatorischen Bewegung L des Bandapparates auf die in dem keilförmigen Raumbereich eingebrachte Materialportion eine vorkomprimierende Wirkung aus. Der Winkel α kann beliebig, vorzugsweise im Bereich zwischen 10° und 60° eingestellt werden. Vorzugsweise ist die Zylinderrolle 11 motorisch angetrieben, durch die das Band 13 in Umlaufrichtung versetzt wird. Selbstverständlich ist es möglich die Bandumlauf richtung auch umzukehren, sofern dies einen den Auftragevorgang dienlichen Effekt nach sich zieht. In Figur 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen lösungsgemäß ausgebildeten Bandapparat illustriert, das eine motorisch angetriebene Zylinderrolle 11 vorsieht, jedoch einen starr ausgebildeten Gleitkörper 18 vorsieht, um den das Band 13 in gleitendem Oberflächenkontakt geführt wird. Gleichsam den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist auch der länglich elypsoidartig ausgebildete Gleitkörper 18 relativ zur Bewegungsebene B um einen die Neigung des Gleitkörpers 18 repräsentierenden Winkel α geneigt angeordnet. Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 weist im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 einen Gleitkörper 18 auf, an dessen dem Band 13 zugewandten Oberflächenbereich Rollenelemente 19 angebracht sind, über die das Band 13 abrollbar gelagert ist. Auch in diesem Fall schließt das über die Gleitkörper 19 geführte Band 13 mit der Bewegungsebene B einen Winkel α ein, der in den vorstehend beschrieben Winkelbereich variabel einstellbar ist.

Mit Hilfe der lösungsgemäßen Vorrichtung ist es nicht nur möglich, pulverförmiges Trockenmaterial auf die Bauplattform in vorverdichteter Form als Materialschicht auf eine Bauplattform aufzutragen, vielmehr ermöglicht der Bandapparat auch eine Verarbeitung von Suspensionen in Form von Pasten oder Schlicker. Hierzu gilt es zur Vermeidung von Anhaftungen an der Bandoberfläche das Band entsprechend zu beschichten, beispielsweise mittels einer Nanobeschichtung auf Teflonbasis.

Darüber hinaus sieht eine bevorzugte Ausführungsvariante vor, das Band mit Poren zu durchsetzen, durch die Flüssigkeit aus einer fluidischen Materialschicht abgesaugt werden kann. Das Absaugen der Flüssigkeit kann durch Anlegen eines Unterdruckes beispielsweise im Bereich der unteren Zylinderrolle 11 (siehe die schematische Skizze in Figur 1 ) erfolgen, aber auch lediglich die innerhalb der Poren vorherrschenden Kapillarkräfte vermögen eine Abtrennung von oberflächigen Flüssiganteilen von der auf die Bauplattform abgeschiedenen Materialschicht zu bewerkstelligen.

Eine weiterführende Ausbildung des Bandapparates zur weiteren Verdichtung des im Bereich der Bauplattform abgeschiedenen Materials sieht eine dosierte Einkopplung von Vibrationen, vorzugsweise mittels Ultraschall in die auf der Bauplattform deponierte Materialschicht vor. Beispielsweise bietet es sich hierzu an, die Schwingungen über den mit dem Material über das Band in Kontakt tretenden Formkörper in das Material einzukoppeln. Beispielsweise könnte innerhalb der Zylinderrolle 12 gemäß Ausführungsbeispiel in Figur 1 oder innerhalb des in den Figuren 6 und 7 illustrierten Gleitkörpers 18 ein Ultraschallgenerator in Form einer Piezoaktors integriert sein, durch den der jeweilige Formkörper in Vibrationen versetzt wird, die derart stark ausgebildet sind, so dass die oberflächig aufzutragende Materialschicht im Bereich der Bauplattform komprimiert jedoch die darunter liegenden Schichten unbeeinträchtigt bleiben. Zudem würden sich die innerhalb des Formkörpers erzeugten Ultraschallwellen zumindest teilweise längs des Bandverlaufes ausbreiten, wodurch zusätzlich komprimierende Kräfte auf die innerhalb des keilförmigen Raumbereiches befindliche Materialportion einwirken. Auf diese Weise lässt sich die vorverdichtende Funktion des Bandapparates weiter verbessern.

Bezugszeichenliste

I Material

I ^I Überstehende Materialschicht

2 Materialreservoir

3 Behältnisboden

4 Abscheideebene

5 Abstreifvorrichtung

6 Bauplattform

7 Druckkopf

8 Auffangbehältnis

9 Materialportion

10 abgeschiedene Materialschicht

10' frisch abgeschiedene Materialschicht

11 ,12 Zylinderrolle

13 Band

13', 13" Bandabschnitt

14 Abstandshalter

15 Exzentereinheit

16 schitierbare Schwenkvorrichtung

17 Bandabschnitt

18 Gleitkörper

19 Rollenkörper