Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von 3D-Formteilen durch Schichtaufbautechnik unter Verwendung einer Kernreinigungsstation

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Modelle mittels Schichtaufbautechnik unter Verwendung einer Kernreinigungsstation.

In der europäischen Patentschrift EP 0 431 924 Bl wird ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Computerdaten beschrieben. Dabei wird ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht auf eine Plattform aufgetragen und dieses selektiv mittels eines Druckkopfes mit einem Bindermaterial bedruckt. Der mit dem Binder bedruckte Partikelbereich verklebt und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen Härters. Anschließend wird die Plattform um eine Schichtdicke in einen Bauzylinder abgesenkt und mit einer neuen Schicht Partikelmaterial versehen, die ebenfalls, wie oben beschrieben, bedruckt wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis eine gewisse, erwünschte Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt.

Dieses aus verfestigtem Partikelmaterial hergestellte Objekt ist nach seiner Fertigstellung in losem Partikelmaterial eingebettet und muss anschließend davon befreit. Dies erfolgt bisher manuell und ist sehr aufwendig und damit sehr kostenintensiv. Die Bauteile werden bspw. mittels eines Saugers oder/und durch einfaches Abbürsten vom Restpulver befreit.

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Bestätigungskopie Es war deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung konstruktive Mittel bereitzustellen, die verbesserte 3D-Druckverfahrenabläufe erlauben oder zumindest die Nachteile des Standes der Technik verbessern oder ganz vermeiden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, Mittel bereit zu stellen, die eine Automatisierung des Reinigungsschrittes ermöglichen und somit Arbeitskräfte und Kosten einsparen helfen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein verbessertes 3D-Druckverfahren bereitzustellen, in dem verschiedene Arbeitsschritte automatisiert sind und eine Fließbandproduktion im 3D-Druck zumindest abschnittsweise erreicht werden kann.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

In einem Aspekt betrifft die Erfindung eine Kernreinigungsstation zum Reinigen von 3D-Formteilen, umfassend ein Gehäuse mit einer Öffnung, die gegebenenfalls verschließbar ist oder ein Mittel zum Verschließen umfasst und Mittel zum Erzeugen eines Perlenstrahls und eines Luftstrahls und eine Ablagefläche oder/und Halterung für das 3D-Formteil.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine 3D-Druckvorrichtung, die eine angeschlossene Reinigungsstation (Kernreinigungssttion) umfasst.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei zumindest ein Reinigungsschritt in automatisierter oder halbautomatisierter Weise durchgeführt wird.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt den beispielhaften Aufbau einer Reinigungsstation (Kernreinigungsstation) (10).

Fig. 2 zeigt die Ansicht in die Kernreinigungsstation (10) mit einstellbaren Luftdüsen (4). Fig. 3 zeigt einen Teil eines Handlingrobotors (7) mit Schwenkarm.

Fig. 4a und 4b beschreiben schematisch ein 3D-Formteil (9) auf einer Kernhalterung (2) bzw. am Schwenkarm eines Handlingrobotors (7).

Fig. 5a und 5b beschreiben ein 3D-Formteil (9), das einer Perlenbestrahlung (8) ausgesetzt wird bzw. in ein Perlenbad in einem Behälter (6) eingetaucht wird.

Fig. 6 zeigt wie das 3D-Formteil (9) auf der Kernhalterung (2) einem Luftstrahl mittels einstellbarer Luftdüsen (4) zur weiteren Reinigung und Befreiung von nicht verfestigtem Partikelmaterial ausgesetzt wird.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Kernreinigungsstation bereitgestellt wird, die ein hergestelltes 3D-Formteil im Wesentlichen halbautomatisch oder automatisch reinigen kann sowie durch ein Verfahren, das eine derartige Kernreinigungsstation verwendet.

Im Folgenden werden zunächst einige Begriffe der Erfindung näher erläutert.

„3D-Formteil", „Formkörper" oder„Bauteil" im Sinne der Erfindung sind alles mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder/und der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte dreidimensionale Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.

„Bauraum" ist der geometrische Ort in dem die Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst oder durch den die Schüttung bei kontinuierlichen Prinzipien durchläuft. Im Allgemeinen wird der Bauraum durch einen Boden, die Bauplattform, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt. Bei kontinuierlichen Prinzipien existieren meist ein Förderband und begrenzende Seitenwände. Der Bauraum kann auch durch eine sogenannte Jobbox ausgestaltet sein, die eine in die Vorrichtung ein- und ausfahrbare Einheit darstellt und eine Batch-Herstellung erlaubt, wobei eine Jobbox nach Prozessabschluss ausgefahren wird und sofort eine neue Jobbox in die Vorrichtung eingefahren werden kann, sodass das Herstellungsvolumen und somit die Vorrichtungsleistung erhöht wird.

„Bauplattform" oder„Baufeld" im Sinne der Offenbarung ist die Fläche, auf die das Partikelmaterial aufgetragen wird und auf der das Partikelmaterial selektiv verfestigt wird, um ein vorbestimmtes dreidimensionales Formteil aufzubauen.

Als „Partikelmaterialien" oder „partikelförmige Baumaterialien" oder „Baumaterialien" können alle für den Pulver-basierten 3D Druck bekannten Materialien verwendet werden, insbesondere Polymere, Keramiken und Metalle. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken frei fließendes Pulver, es kann aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver oder eine partikelbeladene Flüssigkeit verwendet werden. In dieser Schrift werden Partikel material und Pulver synonym verwendet.

Der „Partikelmaterialauftrag" ist der Vorgang bei dem eine definierte Schicht aus Pulver erzeugt wird. Dies kann entweder auf der Bauplattform oder auf einer geneigten Ebene relativ zu einem Förderband bei kontinuierlichen Prinzipen erfolgen. Der Partikelmaterialauftrag wird im Weiteren auch„Beschichtung" oder„Recoaten" genannt.

„Selektiver Flüssigkeitsauftrag" kann im Sinne der Erfindung nach jedem Pa rtikelmateria lauftrag erfolgen oder je nach den Erfordernissen des Formkörpers und zur Optimierung der Formkörperherstellung auch unregelmäßig, beispielsweise mehrfach bezogen auf einen Partikelmaterialauftrag, erfolgen. Dabei wird ein Schnittbild durch den gewünschten Körper aufgedruckt.

Als „Vorrichtung" zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jede bekannte 3D-Druckvorrichtung verwendet werden, die die erforderlichen Bauteile beinhaltet. Übliche Komponenten beinhalten Beschichter, Baufeld, Mittel zum Verfahren des Baufeldes oder anderer Bauteile bei kontinuierlichen Verfahren, Dosiervorrichtungen und Wärme- und/oder Bestrahlungsmittel und andere dem Fachmann bekannte Bauteile, die deshalb hier nicht näher ausgeführt werden. Diese Vorrichtungsteile werden für den Reinigungsschritt mit einer Kernreinigungsstation kombiniert.

Die „Packungsdichte" beschreibt die Ausfüllung des geometrischen Raumes durch einen Feststoff. Sie hängt von der Natur des Partikelmaterials und der Auftragsvorrichtung ab und ist eine wichtige Ausgangsgröße für den Sinterprozess.

Das Baumaterial wird immer in einer „definierten Schicht" oder „Schichtstärke" aufgebracht, die je nach Baumaterial und Verfahrensbedingungen individuell eingestellt wird. Sie beträgt beispielsweise 0,05 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,3 mm.

„Spalt" oder „Spaltöffnung" im Sinne der Offenbarung bezeichnet das Mittel durch das Partikelmaterial vom Recoater bzw. auf die Bauplattform aufgebracht wird und mittels dem/der die Auftragsmenge von Partikelmaterial gesteuert werden kann. Durch den „Spalt" oder die „Spaltöffnung" tritt das Partikelmaterial aus dem Beschichter aus und fließt auf die Bauplattform. Der„Verschluss" oder„Beschichterverschluss" steuert die freigegebene Partikelmaterialmenge.

Eine„Beschichterklinge" oder„Schwingklinge" im Sinne der Offenbarung betrifft ein der Bauplattform zugewandtes Mittel einer Beschichtervorrichtung, die mit weiteren Mitteln kombiniert sein kann, um den Partikelmaterialauftrag zu steuern. Die„Beschichterklinge" kann mit einem anderen Teil oder Mittel der Beschichtervorrichtung einen Spalt bilden, der im Stillstand durch einen Schüttkegel verschlossen wird. In der vorliegenden Offenbarung wird die „Beschichterklinge" mit einem ansteuerbaren Verschluss, z.B. einem Federstahlblech, verschlossen und geöffnet und so der Partikelmaterialauftrag auf das Baufeld gesteuert. Eine „Verschlussvorrichtung" im Sinne der Offenbarung betrifft die Kombination von Beschichterklinge, ansteuerbarem Verschluss und Aktor in einem Partikelmaterialbeschichter.

Ein „Verschlussmittel" oder„Verschluss" oder„Beschichterverschluss" im Sinne der Offenbarung ist ein Mittel, das es ermöglicht den Spalt des Beschichters gesteuert zu schließen und zu öffnen. Es kann z.B. ein Federstahlblech sein.

Ein „Ansteuermittel" oder„Aktor" im Sinne der Offenbarung dient zum Öffnen und Schließen des Verschlussmittels.

„Öffnungsgeschwindigkeit" im Sinne der Offenbarung bedeutet die Zeitdauer, die vergeht bis das Verschlussmittel von seiner geschlossenen Stellung bis zu seiner maximalen Öffnung angesteuert wird.

„Verschlussöffnungsprozess" im Sinne der Offenbarung ist der Vorgang bei dem das Verschlussmittel von seiner geschlossenen zu seiner geöffneten Stellung gebracht wird. Dementsprechend ist ein „Verschlussschließungsprozess" der umgekehrte Ablauf.

„Verfahrgeschwindigkeit" im Sinne der Offenbarung bezieht sich auf die Geschwindigkeit des Vor- oder Zurückfahren des Beschichters. Die Verfahrgeschwindigkeit und die Öffnungsgeschwindigkeit sind wichtige Größen, die den Verfahrensablauf, die Herstellungsgeschwindigkeit für 3D- Formteilen und das Steuern des Anfahrens und des Druckprozesses beeinflussen. Somit beeinflussen diese Größen auch die Wirtschaftlichkeit einer 3D-Druckvorrichtung.

„Kernreinigungsstation" oder „Reinigungsstation" im Sinne der Offenbarung ist ein Behältnis oder ein Gehäuse oder ein abgetrennter Raum, in den 3D-Formteile eingebrachte werden können und die mit Hilfe von verschiedenen Mitteln von Partikelmaterial teilweise oder im wesentlichen vollständig befreit werden. Die Reinigungsstation kann über eine verschließbare Öffnung verfügen oder Mittel, die das Austreten von Partikelmaterialien aus dem Innenraum im wesentlichen verhindern, z.B. einen Vorhang oder Bürstenreihen. Die Reinigungsstation im Sinne der Offenbarung kann weitere Mittel enthalten, die für die Reinigung nützlich sind wie Rezyklisierungsmittel, Vorratsbehälter, Haltemittel, Befestigungsmittel, steuerbare oder/und verfahrbare Luft- oder Materialdüsen.

„Perlen" im Sinne der Offenbarung sind partikelförmige Teile, die rund oder/und abgerundet oder/und strukturiert sein können und die mit dem zu reinigenden 3D-Fromteil in Kontakt gebracht werden oder wobei das 3D-Formteil in diese eingebracht oder eingetaucht wird. Die „Perlen" könne mittels Luftstrom vorteilhafterweise auch in eine komplexe Geometrie eindringen und so nicht verfestigtes Partikelmaterial von dem 3D-Formteil lösen und es so davon befreien. Die Perlen können aus unterschiedlichen Materialien oder Materialgemischen bestehen, z.B. können verwendet werden Zeolithe, Orangegel, Silika-Gel, ein oder mehrere Tonminerale, ein oder mehrere Diatomite oder/und ein oder mehrere Sepiolithe.

Ein „Behälter zur Aufnahme von Perlen" im Sinne der Offenbarung ist jedwedes Mittel, in dem Perlen vorgelegt oder zurückgeführt werden können und das ein Volumen von zwischen 10 Liter bis 1000 Liter Volumen aufweist.

„Mittel zum Rezyklisieren von Perlen" im Sinne der Offenbarung sind alle Mittel, die dazu dienen Perlen aufzufangen, zu transportieren oder/und aufzusaugen und zu einem Behälter zur Aufnahme von Perlen zu führen oder zurückzuführen.

Ein „Ablagemittel" im Sinne der Offenbarung ist jedes geeignete Mittle, wie ein Aufnahmeeinheit, eine Fläche zum Ablegen, eine Ablagefläche von 3D-Formteilen, die vorzugsweise ein Fixiermittel zum Befestigen eines oder mehrerer 3D-Formteile aufweist und das vorzugsweise in seiner X-, Y-, Z-Achse verfahrbar ist oder/und schwenkbar ist. „Greifmittel" im Sinne der Offenbarung kann jede Vorrichtung sein, die ein 3D-Formteil kontrolliert aufnehmen und an eine andere Stelle im Raum befördern kann oder einfach fixieren kann, sie kann z.B. eine Robotorvorrichtung sein, die in dreidimensionaler Richtung verfahrbar und steuerbar ist.

Die verschiedenen Aspekte der Erfindung werden im Folgenden weiter beschrieben.

Die Erfindung betrifft in einem Aspekt eine Reinigungsstation geeignet zur Reinigung von 3D-Formteilen, umfassend ein Gehäuse mit einer Öffnung, gegebenenfalls verschließbar, Mittel geeignet, um einen Perlenstrahl zu erzeugen oder/und Mittel geeignet, um einen Luftstrahl zu erzeugen, oder/und einen Behälter zur Aufnahme von Perlen, Mittel zum Rezyklisieren von Perlen, gegebenenfalls ein Ablagemittel, vorzugsweise das in seiner X-, Y-, Z-Achse verfahrbar ist oder/und schwenkbar ist, oder/und wobei das Ablagemittel eine Ablagefläche für das 3D-Formteil aufweist oder/und die Ablagefläche ein Fixiermittel für das 3D-Formteil aufweist.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine 3D- Druckvorrichtung, umfassend eine Reinigungsstation wie oben beschrieben und weitere für den 3D-Druck übliche Komponenten.

Mit der erfindungsgemäßen Reinigungsstation und der 3D- Druckvorrichtung wurde eine besonders vorteilhafte Lösung bereitgestellt, um das der Anmeldung zu Grunde liegende Problem zu lösen.

Mit den oben dargestellten Vorrichtungskomponenten in der dargestellten Kombination konnten überraschender Weise sehr vorteilhafte Zeit- und Kosteneinsparungen erreicht werden.

Weiterhin werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die oben ausgeführten Probleme oder Nachteile zumindest vermindert oder ganz vermieden. Die hier beschriebene Reinigungsstation kann weiter enthalten oder umfassen Mittel zum Rezyklisieren von Perlen, wobei das Mittel zum Rezyklisieren ein Rohrkettenförderer sein kann.

Die Reinigungsstation wie hier offenbart verwendet Perlen, die mittels Perlenstrahl das 3D-Formteil von nicht verfestigtem Partikelmaterial teilweise oder im Wesentlichen vollständig befreien und somit reinigen; die Perlen des Perlenstrahls oder in dem Behälter in der Reinigungsstation bestehen aus oder umfassen Zeolithe, Orangegel, Silika-Gel, ein oder mehrere Tonminerale, ein oder mehrere Diatomite oder/und ein oder mehrere Sepiolithe.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine Reinigungsstation wie hierin beschrieben, wobei die Perlen mittels eines Reinigungsmittels gereinigt werden, vorzugsweise ist das Reinigungsmittel innerhalb oder außerhalb der Reinigungsstation angeordnet. Beispielsweise kann das Reinigungsmittel außerhalb und oberhalb oder unterhalb der Reinigungsstation angeordnet sein und es kann beispielsweise ein Verunreinigungstrennmittel aufweisen.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine 3D- Druckvorrichtung, die gekoppelt ist mit der oben beschriebenen Reinigungsstation. Derartige 3D-Druckvorrichtungen sind dem Fachmann bekannt und müssen deshalb hier nicht weiter im Detail beschrieben werden. Bekannte Hersteller derartiger Anlagen sind u.a. die 3D-Systems Inc., voxeljet AG oder Stratasys. Die 3D-Druckvorrichtungen wird über einen Robotor mit Greifmitteln oder/und Schwenkmitteln wie einem schwenkbaren Greifarm oder mit anderen geeigneten Fördermitteln mit der Reinigungsstation gekoppelt. Es kann so eine Halbautomatisierung oder Automatisierung der 3D-Formteilherstellung mit bekannten 3D- Druckverfahren, wie z.B. pulverbasiertem 3 D- Druckverfahren mit selektivem Bindereindruck oder Lasersintern oder High Speed Sintering etc., und der Reinigung der Bauteile und gegebenenfalls der weiteren Bearbeitung der 3D-Formteile erreicht werden. Dadurch können sehr vorteilhafte Zeitvorteile, Kostenvorteile und Arbeitsqualitätsvorteile für das Bedienpersonal erreicht werden.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei jede bekannte 3D-Druckmaschine und jedes bekannte 3D-Druckverfahren zum Einsatz kommen kann, die gemäß der Offenbarung mit einer Reinigungsstation wie hierin beschrieben gekoppelt verwendet werden kann. Es kann in einem weiteren Aspektes eines solchen Verfahrens auch eine weiteres Kopplung nach der Reinigungsstation über Fördermittel zu weiteren Bearbeitungsstationen und Verfahrensschritten erfolgen und somit eine weitere Halbautomatisierung oder Automatisierung erreicht werden.

Ein Verfahren gemäß der Offenbarung zum Reinigen von 3D-Formteilen, umfasst die folgenden Schritte: ein 3D-Formteil wird in die Reinigungsstation eingebracht, vorzugsweise wird die Reinigungsstation im Wesentlichen geschlossen und das 3D-Formteilen wird Perlen oder einem Perlenstrom ausgesetzt, gegebenenfalls wird das 3D-Formteil in einem weiteren Schritt einem Luftstrahl ausgesetzt.

In einem derartigen Verfahren kann das 3D-Formteilen den Perlen von einer Seite oder von mehreren Seiten ausgesetzt werden. Es kann auch das 3D-Formteil in einem Perlenstrahl bewegt werden oder die Perlen zirkulieren in einem Behältnis und umströmen das 3D-Formteil und/oder durchströmen die Hohlräume des 3D-Fromteils. Beispielsweise kann das 3D-Fromteil in einem Schritt einem Perlenstrahl oder einer horizontalen Perlendusche ausgesetzt werden oder in einen Behälter mit Perlen eingebracht werden, vorzugsweise werden die Perlen erst nach Einbringung des 3D-Formteils in den Behälter eingebracht, vorzugsweise wobei der Behälter in X-, Y- oder/und Z-Richtung schwenkbar oder/und verfahrbar ist. Weiterhin kann der Behälter auch selbst Mittel aufweisen, die geeignet sind eine Bewegung der Perlen zu erreichen und somit eine Bewegung durch Hohlräume des 3D-Formteils zu bewirken oder zu fördern.

In einem weiteren Aspekt wird das 3D-Formteilen in X-, Y- und/oder Z- Richtung bewegt wird, während es dem Perlenstrahl ausgesetzt wird oder sich in dem Behälter mit Perlen befindet.

Es kann vorteilhaft sein, wenn die Perlen des Perlenstrahls in einem Kreislauf rezyklisiert werden, vorzugsweise mittels Rohrkettenförderer, vorzugsweise in einen Perlenvorratsbehälter zurückgeführt werden, wobei der Perlenvorratsbehälter in der Nähe der Reinigungsstation positioniert ist oder beispielsweise oben an der Reinigungsstation positioniert ist, oder/und unten in der Reinigungsstation eine Perlenauffangwanne angebracht ist, die die Perlen nach Bestrahlung des 3D-Fromteils wieder in den Perlenvorratsbehälter zurückführen.

In einem weiteren Verfahrensschritt kann das 3D-Formteilen einem Luftstrahl ausgesetzt werden, vorzugsweise mittels Luftdüsen, wobei die Luftdüsen und/oder der Luftstrahl in seinen Strahlrichtungen einstellbar sind. Weiterhin können ein oder mehrere Luftdüsen an einer Luftdüsenhalterung angebracht sein oder diese bilden und diese Luftdüsenhalterung kann selbst auch verfahrbar oder/und in verschiedene Richtungen schwenkbar sein.

In dem Verfahren nach der Offenbarung kann der Perlenstrahl mit einem Luftstrahl kombiniert werden.

Das 3D-Formteil kann mittels Greifmittel oder manuell in die Reinigungsstation eingebracht werden, vorzugsweise wobei das Greifmittel eine Robotorvorrichtung ist, die in dreidimensionaler Richtung steuerbar ist oder ein anderes geeignetes Fördermittel, das den Transfer des im 3D- Druckverfahren hergestellten 3D-Formteils von der Druckvorrichtung zu der Reinigungsstation bewirken kann.

Verfahren wie hierin beschreiben, wobei das 3D-Formteil unmittelbar aus der 3D-Druckvorrichtung mittels Greifmittel entnommen wird und mittels Greifmittel in die Reinigungsstation eingebracht wird, vorzugsweise wobei das 3D-Formteil in einem Halterahmen positioniert ist.

Weiterhin kann das 3D-Formteil in der Reinigungsstation an dem Greifmittel gehalten werden oder auf einem Ablagemittel positioniert werden.

Das 3D-Formteil kann in dem offenbarten Verfahren auf einem Ablagemittel positioniert und darauf befestig werden, wobei das Ablagemittel in seiner X-, Y-, Z-Achse verfahrbar oder/und schwenkbar ist oder/und eine Ablagefläche für das 3D-Formteil aufweist oder/und die Ablagefläche ein Fixiermittel für das 3D-Formteil aufweist. Die Reinigungsstation kann auch einfach eine Ablagefläche für das 3D- Fromteil aufweisen, das gegebenenfalls über Haltemittel für das 3D- Formteil verfügt.

Bezugszeichenliste

automatische vertikale Plattformführung

Kernhalterung (Halterung) für 3D-Formteil (Formteil)

Automatischer Perlenkreislauf, z.B. mit Rohrkettenförderer

Einstellbare und/oder schwenkbare Luftdüsen

Kabinenöffnung mit Schließmittel (Tür(en) oder Vorhang oder Bürstenreihe)

Behälter mit Perlen, in die das 3D-Formteil eingetauscht werden kann

Handlingrobotor mit Schwenkarm und Greifvorrichtung oder Halterung für 3D-Formteil

Perlen, z.B. Silikatperlen

3D-Formteil (Bauteil)

Kernreinigungsstation