Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2008 106 615.6, hinterlegt am 16.06.2011 , deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus verfestigbarem Material nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Stand der Technik

In der Kunststoffteileherstellung werden durch Spritzgießen oder Extrudieren in großen Losgrößen und Serien Teile unter Verwendung von Formwerkzeugen hergestellt. Der Vorteil des Kunststoffspritzgießens beruht insbesondere auf der hochgenauen Herstellung von komplexen Teilgeometrien, wobei die Funktionsvielfalt des Spritzgießverfahrens in optimaler Weise die Anforderungen an ein kostengünstige und wirtschaftliche Produktion von Kunststoffteilen abdeckt. Gleichzeitig wächst ein Bedarf an Kunststoffteilen für Stückzahl eins und kleine Losgrößen, z.B. Musterteile, mit der Anforderung einer sehr kurzzeitigen Bereitstellung sowie Eigenschaften, die denen von spritzgegossenen Teilen ähnlich sind. Zur Herstellung solcher Teile gibt es Fertigungsverfahren, die weitläufig unter dem Begriff Prototyping und Rapid Manufacturing bekannt sind. Die Herstellung solcher Teile beruht werkzeug- los, d.h. ohne Formwerkzeuge, in den meisten Fällen auf der Erzeugung der Geometrie aus 3D-Daten. Diese Geometrien werden in unterschiedlichster Form durch entsprechende Mittel wie Aufschmelzen von Pulverschichten durch Wärmeeintrag, z.B. mittels Laser, generative Systeme wie Druckverfahren in unterschiedlicher verbindender Form der Pulverteile oder auch im sogenannten Schmelzstrangverfahren hergestellt.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Aus der dem Oberbegriff des Anspruches 1 zugrundeliegenden EP 1 886 793 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der eine in der Spritzgießtechnik bekannte Plastifiziereinheit an einem unter Druck setzbarem Materialspeicher für die Erzeugung einer fluiden Phase eines Materials angekoppelt wird. Zu Erzeugung eines Gegenstandes auf einem Objektträger in einem Bauraum wird dieses Material über eine Austragsöffnung in Form von Tropfen ausgetragen, wobei aufgrund der Adhäsionskraft des Materials ein hoher Druck und meist auch hohe Temperaturen aufgebracht werden müssen. Der Bauraum kann bedarfsweise temperiert werden, wozu eine Temperiereinheit vorgesehen ist.

Bei einer solchen Lösung, bei der hochviskose fluide Materialien, wie aufgeschmolzene Kunststoffe in kleinsten Mengen in diskreten einzelnen Portionen bis hinunter zu wenigen Mikrogramm aus einem Materialspeicher, der unter großem Druck und eventuell Temperatur steht, verarbeitet werden sollen, stellen sich schnell Temperaturbedingun- gen ein, welche die Temperierung des Bauraums beeinflussen.

Aus der DE 10 2009 030 099 A1 ist es bekannt, bei der aus der EP 1 886 793 A1 bekannten Vorrichtung einen Bauraum vorzusehen, in dem der Aktuator für ein Festkörpergelenk zum Verschluss der Austrittsöffnung und auch der Objektträger mit seinen Bewegungsmechanismen aufgenommen sind, die Wärme erzeugende Aufbereitungsheit jedoch außerhalb des Bauraums verbleibt.

Offenbarung der Erfindung Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine energieoptimierte Temperierung zur Unterstützung der Material Verbindung am zu erzeugenden Gegenstand zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Um eine möglichst gute Energieausnutzung und eine energieeffiziente Temperierung zu erreichen, wird dazu der temperierbare Bauraum von einer Bauraumeinfassung umgeben, in der wenigstens die Austrittsöffnung der Austragseinheit sowie die Aufbereitungseinheit für das zu verarbeitende Material aufgenommen sind. Da die Aufbereitungsein- heit Wärme durch den Eintrag des erhitzten flüssigen Materials einbringt, entsteht im Bauraum grundsätzlich ein Wärmeüberschuss. Dieser wird zusätzlich durch die Heizung bei der Materialaufschmelzung an der Aufbereitungseinheit durch Abstrahlung von Wärme unterstützt. Damit befindet sich der Bauraum mit dem darin angeordneten Ge- genstand sowie auch die Tropfen von dem Moment an, in dem sie die Austragseinheit verlassen, in einem Temperaturbereich, der durch Temperierung beeinflusst werden kann. Die Bauraumtemperierung ist jedoch wichtig bzw. notwendig, um das Verbinden der aufgetragenen Tropfen auf dem bereits erzeugten Bauteil, also dem zu erstellenden Gegenstand optimal zu beeinflussen. Dadurch ist nämlich die Temperaturdifferenz zwi- sehen schmelzender Form des Tropfens und der Oberfläche am Bauteil individuell beeinflussbar. Diese Beeinflussbarkeit ist stark materialabhängig, z.B. bei kristallinen bzw. amorphen Kunststoffen. Andererseits ist es für eine energieoptimierte Betrachtung sinnvoll, den Wärmefluss von der Aufbereitungseinheit in Richtung auf die Druckerzeugungseinheit zu trennen, um die dort erzeugte Wärme auch dort zu halten, wo sie nutz- bringend zu verwenden ist. Dadurch lässt sich die Energieeffizienz des gesamten Systems steigern.

Diese Trennung erfolgt vorzugsweise durch ein Isolierelement, das zwischen Aufbereitungseinheit und Druckerzeugungseinheit zwischengeschaltet ist. Insgesamt kann die Bauraumeinfassung isolierend aufgebaut sein, um den Wärmefluss nach außen weitestgehend zu unterbinden.

Vorteilhafterweise befinden sich der elektrische Antriebsteil der Austragseinheit außerhalb des Bauraums und kann somit unter normaler Umgebungstemperatur unter auf den Antrieb abgestimmten, idealen Betriebsbedingungen betrieben werden. Dasselbe gilt grundsätzlich auch für den Antrieb und die Antriebseinheiten des Objektträgers, wie z.B. einen Koordinatentisch. Dadurch kann einerseits sichergestellt werden, dass im Bauraum eine optimale Temperatur herrscht, andererseits wirkt sich diese Temperatur nicht auf die Teilegenauigkeit aus, da sich die Mechaniken und Antriebsmechanismen im We- sentlichen in einem gekühlten Bereich befinden..

Diese Teilegenauigkeit kann dadurch noch weiter verbessert werden, dass der Maschinentisch, der vor allem die Aufbereitungseinheit und Objektträger als voneinander beab- standete Teile der Vorrichtung trägt, hinreichend starr ausgebildet ist, so dass sich ei- nerseits Temperaturausdehnungen nur geringfügig bemerkbar machen, andererseits aber auch der temperierte Bauraum mit dieser Anordnung hinsichtlich der Temperatur so wenig wie möglich in Verbindung kommt. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Kurzbeschreibung der Figuren Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht der mit einer Bauraumeinfassung versehenen Vorrichtung,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Darstellung der Vorrichtung in Seitenansicht, Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt im Bereich des Übergangs von der Druckerzeugungseinheit zur Aufbereitungseinheit.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele Die Erfindung wird jetzt beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Allerdings handelt es sich bei den Ausführungsbeispielen nur um Beispiele, die nicht das erfinderische Konzept auf eine bestimmte Anordnung beschränken sollen. Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte be- schränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.

Die Figuren zeigen eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes 50 oder eines Bauteils aus verfestigbarem Material, das entweder im Ausgangszustand in einer fluiden Phase vorliegt oder verflüssigt werden kann, wobei die Herstellung durch sequentielles Austragen von Tropfen 70 erfolgt. Dies kann z.B.

dadurch erfolgen, dass einzelne Tropfen 70 sequentiell aus einer Austrittsöffnung 12b einer Austragseinheit 12 ausgetragen werden, so dass sich Schicht für Schicht der Gegenstand 50 auf einem Objektträger 13 im Bauraum 20 ergibt. Das verfestigbare Materi- al ist ein plastifiziertes Material, wie z.B. Silikon oder ein plastifizierbares Material wie Kunststoff oder auch pulverförmige Materialien, wobei es im Wesentlichen darauf ankommt, dass das verfestigbare Material entweder im Ausgangszustand in einer fluiden Phase vorliegt oder verflüssigt werden kann. Das Material kann auch ein unter Wärme reversibel auf schmelzbares und damit recycelbares Material sein. Beliebige andere Ma- terialien können verwendet werden, sofern diese Materialien durch die Vorrichtung plas- tifizierbar und vor allem durch die wenigstens eine Austragseinheit 12 austragbar sind.

Das verfestigbare Material weist in der fluiden Phase einen sogenannten laminaren Quellfluss auf. In den Quellfluss geht u.a. die Anlagerung der Schmelze an der Wandung ein. Dies wird am deutlichsten bei einem Blick in die Erkenntnisse der Spritzgießtechnik. Bei der Formfüllung eines einfachen, rechteckigen Kanals wird die Schmelze über einen sogenannten Angusspunkt eingespritzt und beginnt sich von diesem Punkt mit geschlossenen Fließfronten kreisförmig auszubreiten, bis sie die gesamte Breite der Kavi- tät ausfüllt. Einige Zeit danach kann der Bereich zwischen dem Einlauf und der Fließ- front als nahezu ausgebildet betrachtet werden. An der Fließfront selbst herrscht eine besondere Strömungssituation, der "Quellfluss", da die Stromlinien in diesem Bereich wie eine Quelle erscheinen, wenn man sie in Bezug auf ein mitbewegtes Koordinatensystem betrachtet. Zwischen zwei den Kavitätsoberflächen nahe liegenden, rasch erstarrten Masseschichten fließt die Schmelze, wobei sie in der Mitte der Kavität mit grö- ßeren Geschwindigkeiten zur Fließfront hin schreitet. Kurz bevor die Schmelze die Fließfront erreicht, reduziert sich ihre Geschwindigkeitskomponente in Fließrichtung, sie fließt schräg zur Wand, bis sie sich an die Wand anlegt.

Der laminare Quellfluss ist für die Erzeugung von auf den Bauraum 20 .ausgerichteten' Tropfen 70 auf Grund seiner laminaren Ausbildung einerseits von Vorteil, andererseits bestehen vor allem bei der Ausbildung kleiner Tropfen genau hier auch die Probleme, die eine Umsetzung mit aus der Spritzgießtechnik bekannten Einrichtungen und Materialien erschweren. Die Wandhaftung führt dazu, dass sich die Massen nur schwer zu Tropfen mit gewünschten kleinen Volumen, vorzugsweise im Bereich kleiner gleich 1 mm ³ und gewünschter Fluggeschwindigkeit ausbilden lassen, andererseits ist eine entsprechend hohe Viskosität des Materials gerade für die Ausbildung einer geeigneten Tropfenform eines Tropfens von Bedeutung. Dies unterscheidet die verwendeten Materialien auch von den vorbekannten Wachsen. Aufgrund ihrer Viskosität lassen sich Wachse im normalen Thermodruck- oder Inkjetverfahren ausbringen, also durch reines kinematisches, druckloses Beschleunigen ohne Druckdifferenz des aufgeschmolzenen Tropfens. Die hier verwendeten Materialien unterscheiden sich hiervon bereits dadurch, dass ihre Viskositätszahl um eine bis mehrere Zehnerpotenzen höher ist. So liegt die dynamische Viskositätszahl des verfestigbaren Materials zwischen 100 und 10000 [Pa s], wobei vorzugsweise das verfestigbare Material ein in der Spritzgießtechnik üblicher Kunststoff oder ein Harz ist. Dies macht die Verarbeitung aus einem unter Druck setzbaren Materialspeicher und damit auch die Verwendung einer gesonderten Druckerzeugungseinheit erforderlich, da Drücke von mehr als 10 bis 100 MPa (100 bis 1000 bar) ohne weiteres erforderlich sind, insbesondere wenn zur Erzielung kleiner Tropfenvolumen kleine Austragsöffnungen eingesetzt werden.

Vorzugsweise liegt das gewünschte Volumen des Tropfens 70 insbesondere im Bereich von 0,01 bis 0,5 mm ³ , vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 0,3 mm ³ und besonders vorzugsweise im Bereich von etwa 0,1 mm ³ . Der Durchmesser der Austrittsöffnung 20 ist insbesondere kleiner gleich 1 mm, vorzugsweise etwa 0,1 mm. Bei einer durchaus üblichen Einspritzgeschwindigkeit von 100 [cm/s], die durch einen sogenannten Punk- tanguss mit 0,1 [mm] Durchmesser die Masse fördert, ergibt sich mit Volumenstrom durch Fläche ein Wert von 10.000 [m/s]. Dies führt für die fluide Phase zu einem laminaren Quellfluss mit Fliessgeschwindigkeiten bis zu 10.000 m/s.

Die Vorrichtung hat mit ihrer Austragseinheit die Aufgabe, hochviskose fluide Materialien wie aufgeschmolzene Kunststoffe in kleinsten Mengen bis hinunter zu wenigen

Mikrogramm aus einem Materialspeicher auszutragen, der unter großem Druck und eventuell hoher Temperatur steht. Die kleinsten Mengen/Tropfen 70 des Materials werden in diskreten einzelnen Portionen durch die Austragseinheit 12 ausgebracht, wobei deren Größe von der Vorrichtung beeinflussbar ist. Die ausgetragenen Portionen besitzen eine so hohe kinetische Energie, dass sie die Adhäsionskräfte überwinden können und von der Vorrichtung abheben und als Tropfen 70 wegfliegen, um im Bauraum 20 auf dem Objektträger 13 den Gegenstand 50 aufzubauen. Dabei wird das Material aufgeschmolzen, so dass es eine Viskosität aufweist, die höher als die Viskosität am Glaspunkt ist. Damit liegt ein Energieüberschuss vor, der energieeffizient zur Temperierung des Bauraums 20 genutzt werden kann.

Die Druckerzeugungseinheit 10 erzeugt den Druck auf die in der Aufbereitungseinheit 1 1 aufbereitete fluide Phase, wobei vorzugsweise die Aufbereitungseinheit 1 1 bereits den Materialspeicher für das in der fluiden Phase vorliegende Material bildet. Die Drucker- zeugungseinheit steht mit der Aufbereitungseinheit 11 in Verbindung, die Aufbereitungseinheit mit der Austragungseinheit 12, die dann ihrerseits über die Austrittsöffnung 12b den diskontinuierlichen Tropfen 70 erzeugt.

Unter den genannten Bedingungen gewinnt die Temperatur im Bauraum 20 an Bedeu- tung, der mittels einer Temperaturregeleinheit 25 energieeffizient temperierbar ist. Gemäß den Figuren 2 und 3 ist der temperierbare Bauraum 20 von einer Bauraumeinfassung 18 umgeben. Diese Bauraumeinfassung 18 umgibt zumindest die Austrittsöffnung 12b der Austragseinheit 12 sowie die Aufbereitungseinheit 11 und auch den Objektträger 13, auf dem der Gegenstand 50 hergestellt wird. Andererseits sind gemäß den Figuren 2 und 3 die Aufbereitungseinheit 11 und die Druckerzeugungseinheit 10 auch durch die Bauraumeinfassung 18 voneinander getrennt.

Dadurch wird es möglich, den Eintrag des erhitzten flüssigen Kunststoffes oder eines anderen verfestigbaren Materials, das in der Aufbereitungseinheit 11 unter Wärmezufuhr aufbereitet wird, im Bauraum als Wärmeüberschuss zu nutzen. Dieser Wärmeintrag wird gemäß Fig. 3 zusätzlich durch die Heizung mittels der Heizkörper 22 bei der Materialaufschmelzung infolge Abstrahlung unterstützt. Im Bereich der Aufbereitungseinheit 11 wird das Material plastifiziert und durch die Schmelzeschnecke 26 bis an den Übergangsbereich zur Austragseinheit 12 verbracht. Dem Bauraum 20 zugeordnet ist ein Fühler 21 sowie eine Temperaturregeleinheit 25, die vom Fachmann grundsätzlich an geeigneter Stelle platziert werden, d.h. nicht an der Stelle angeordnet sein müssen, die in den Figuren angegeben sind. Durch diese Sensorik und Regelung kann die Temperatur im Bauraum 20 so geregelt werden, dass z.B. durch Ventilatoren oder Wärmetauscher ein Wärmeüberschuss geregelt abgeführt werden kann. Ventilatoren oder andere Hilfsmittel können wie bei einem Umluftofen auch vorgesehen sein, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb des Bauraums 20 zu gewährleisten.

Um gleichzeitig die Wärmezufuhr an der Aufbereitungseinheit 11 zu erhalten, wird der Bauraum 20 zur Druckerzeugungseinheit 10 isoliert, d.h. einerseits trennt die Bauraumeinfassung die Druckerzeugungseinheit 10 wärmetechnisch vom Bauraum 20 und der Aufbereitungseinheit 11 , andererseits wird dort gemäß Fig. 3 ein Isolierelement 23 zwischen Druckerzeugungseinheit 10 und Aufbereitungseinheit 11 in der Wandung der Bauraumeinfassung 18 angeordnet.

Die Bauraumeinfassung trennt den Bauraum 20 gemäß Fig. 2 grundsätzlich insgesamt gegenüber seinem Umfeld isolierend, so dass der Wärmeeintrag der innerhalb der Bauraumeinfassung 18 angeordneten Aufbereitungseinheit 11 den Bauraum temperiert. Dennoch ist die Aufbereitungseinheit 11 an der Austrag sei nheit 12 angeschlossen, was insofern auch temperaturtechnisch zu berücksichtigen ist, da eine Temperaturdehnung der Aufbereitungseinheit 11 damit auch auf die Lage der Austragseinheit 12 und somit auf die Teilegenauigkeit einwirkt. Die damit geschaffenen Isolierung kann auch vorteilhaft genutzt werden, um im Bauraum eine Schutzgasatmosphäre zu schaffen. Da der zu erzeugende Gegenstand 50 auf dem z.B. als Koordinatentisch ausgebildeten Objektträger 13 entsteht, wird auch der Objektträger 13 im Bauraum 20 angeordnet. Dies gilt jedoch nicht in gleicher Weise für die entsprechenden, vorzugsweise elektrischen Antriebsteile 12a der Austragseinheit 12 bzw. für die Antriebseinheit 16 des Objektträgers 13. Beide Elemente werden gemäß Fig. 2 außerhalb der Bauraumeinfassung 18 angeordnet. Dadurch können diese vorzugsweise elektrischen Antriebsteile unter Bedingungen betrieben werden, die nicht durch die im Bauraum 20 gewünschte Temperatur beeinflusst werden. Sie befinden sich vielmehr unter normalen Umgebungsbedingungen und damit für diese Teile meist unter idealen Betriebsbedingungen. Denkbar ist hierfür z.B., den Koordinatentisch über einer Membran anzuordnen, die von der Anlen- kung des Tischs durchgriffen wird, gleichzeitig aber den Antriebseinheiten und dem Tisch den erforderlichen Bewegungsspielraum ermöglicht. Berücksichtigt man zudem, dass der Objektträger 13 durch die Antriebseinheit 16 räumlich relativ zur Austrittsöffnung 12a bewegbar ist, und dies auch möglichst präzise sein soll, ist es von Vorteil, wenn die Antriebseinheit 16 ebenfalls außerhalb der Bauraumeinfassung 18 angeordnet ist, da dann auch dort präziser die Koordinaten für den Objektträger 13 angesteuert werden können. Grundsätzlich kann zudem eine übliche Temperaturkompensation softwaremäßig mit Hilfe geeigneter Sensorik erfolgen, um eine lagemäßige Soll-Ist- Referenzierung umzusetzen.

Wesentlich ist damit, dass für die Bauraumtemperierung einerseits die notwendige Temperierenergie aus dem Prozess, d.h. vorzugsweise aus der Materialaufbereitung genutzt wird, in dem durch Energiestau bzw. Energieabfuhr geregelt eine energieoptimierte Temperierung zur Unterstützung der Herstellung des Gegenstands 50 durch Tropfen- Verbindung genutzt wird. Zudem ist eine gesamte Bauraumtemperierung einfacher zu erreichen als ein punktueller Energieeintrag z.B. am Verbindungspunkt zwischen dem bereits erzeugten Gegenstand 50 und dem neu hinzukommenden Tropfen 70.

Die Teilgenauigkeit wird weiter dahingehend unterstützt, dass die Vorrichtung gemäß Fig. 2 auf einem Maschinengestell 30 angeordnet ist, in dem auch die Maschinensteuerung 40 und die Bedieneinheit 41 angeordnet sind, und auf dem ein Maschinentisch 15 angeordnet ist, auf dem der Objektträger 13 zum Aufbau des Gegenstandes 50 sowie die Aufbereitungseinheit 1 1 in einem geometrisch feststehenden Verhältnis zueinander montiert sind. Dieser Maschinentisch ist vorzugsweise eine außerhalb der Bauraumein- fassung 18 angeordnete Platte gemäß Fig. 2, die hinsichtlich der im Bauraum 20 gegenüber dem Umfeld entstehenden Temperaturdifferenz so stark bemessen ist, dass die Genauigkeit des zu erstellenden Gegenstandes 50 unbeeinflusst bleibt.

Gemäß Fig. 1 weist die Bauraumeinfassung 18 eine verschließbare Öffnung 18a auf, durch die der Bauraum zugänglich ist. Aufbereitungseinheit 1 1 und Druckerzeugungseinheit 10 werden durch eine in der Spritzgießtechnik bekannte Plastifiziereinheit zur Aufbereitung des verfestigbaren Materials als plastifiziertes oder plastifizierbares Material gebildet. Damit kann ein standardmäßig erhältliches oder beim Spritzgießer vorhandenes Material zur Herstellung der Teile verwendet werden. Ein spezielles Sondermate- rial ist damit nicht erforderlich.

Es versteht sich von selbst, dass diese Beschreibung verschiedensten Modifikationen, Änderungen und Anpassungen unterworfen werden kann, die sich im Bereich von Äquivalenten zu den anhängenden Ansprüchen bewegen. Bezugszeichenliste

10 Druckerzeugungseinheit

1 1 Aufbereitungseinheit

12 Austragseinheit

12a Antriebsteil

12b Austrittsöffnung

13 Objektträger

15 Maschinentisch

16 Antriebseinheit

18 Bauraumeinfassung

18a verschließbare Öffnung

20 Bauraum

21 Fühler

22 Heizkörper

23 Isolierelement

24 Zylinderheizung

25 Temperaturregeleinheit

26 Schmelzeschnecke 30 Maschinengestell

40 Maschinensteuerung

41 Bedieneinheit

50 Gegenstand

70 Tropfen