DE10003374C1 - Verfahren zum Herstellen von Prototypen oder Formen aus Formmaterial - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Formen aus Formmaterial, wobei das Formmaterial mittels eines Verfestigungswerkzeugs mit Verfestigungsenergie beaufschlagt wird, wobei das Verfestigungswerkzeug dreidimensional im bzw. durch den Formstoff bewegt wird, wobei hierdurch die Form, die als dreidimensionale Freiform ausgebildet ist, durch Verfestigen des Formstoffs gebildet wird und wobei der überschüssige Formstoff nach dem Verfestigen und der Formbildung entfernt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Formen aus Formmaterial. Die Herstellung definierter dreidimensionaler oder sphärisch gekrümmter Körper aus einem Formmaterial ist in vielen Bereichen erforderlich, so z. B. für die Herstellung von Gießformen für Metall, Beton, Gips, Wachs, Kunststoff, etc. aber auch für die direkte Herstellung von Elementen aus den vorgenannten Materialien. Des weiteren ist es notwendig, definierte Flächen für die Herstellung von Geländemodellen gestalten zu können.

Für die Herstellung von Gießformen ist es im Stand der Technik bekannt, ein Modell herzustellen, das dann in einem geeigneten Formstoff abgebildet wird. Die Herstellung eines solchen Modells ist kostenintensiv und zeitaufwendig. Darüber hinaus werden große Mengen an z. T. umweltbedenklichem Formstoff verbraucht.

Zur Herstellung von z. B. Geländemodellen ist weiterhin das Handmodellieren bekannt, bei dem Formmaterial manuell geformt wird. Dieses Verfahren bietet den größtmöglichen Freiheitsgrad bei der Gestaltung von Flächen. Allerdings ist hierbei der manuelle Aufwand sehr hoch und die Formgenauigkeit gering. Die Geometrie der modellierten Form ist nicht definiert reprodusierbar. Schließlich ergibt sich bei dem vielfach toxischen Formmaterial eine Gesundheitsgefährdung für die modellierende Person.

Das Verfahren ist eine Form des Rapid Prototyping, da die Form bzw. der Prototyp ohne Zerspanungsvorgänge direkt aus den Geometriedaten erzeugt wird. Das Verfahren beruht auf der Anwendung von Handhabungseinrichtungen, z. B. Industrierobotern zum Führen von Werkzeugen, die das Formmaterial verfestigen und dadurch die gewünschte Form ausbilden.

Beispielsweise ist als Rapid-Prototyping-Verfahren mit warmaushärtendem Formmaterial zur Herstellung von Gießkernen das Lasersintern bekannt. Bei diesem Verfahren werden nacheinander dünne Schichten thermisch aushärtbaren Formmaterials eben aufgetragen und mit einem Laserstrahl ausgehärtet. Der Strahl verfährt dabei auf Bahnen, die die auszuhärtende Fläche des Formmaterials beschreiben. Ein derartiges Verfahren besitzt den Nachteil, daß der Brennfleck des Lasers klein ist und es daher vergleichsweise lange dauert, bis die auszuhärtende Fläche einer Schicht abgefahren ist. Weiterhin ist diese Prozedur mehrfach notwendig, da jede Schicht einzeln ausgehärtet werden muß. So ist z. B. um ein Gebilde mit einem Volumen von ca. drei Litern herzustellen eine Herstellungsdauer von fünf bis zehn Stunden notwendig. Schließlich muß das nichtausgehärtete Formmaterial einer Schicht nach dem Aushärten entfernt werden. Weiterhin ist beim Lasersintern sowie bei allen anderen bisher bekannten schichtweise arbeitenden Rapid-Prototyping-Verfahren, d. h. generativen Verfahren das Bauvolumen sehr begrenzt (kleiner als 250 l).

Die WO 90/03893 A1 beschreibt die Herstellung eines dreidimensionalen Körpers mittels eines Rapid-Prototyping- Verfahrens aus einanderfolgenden Schichten durch Schneiden, Verschmelzen, etc. mittels eines energiereichen Strahls, wobei das den Körper umgebende Material später entfernt wird. Auch hierbei erfolgt die Herstellung in horizontalen Schichten.

Zwar bietet ein solches Rapid-Prototyping-Verfahren eine hohe Prozeßgenauigkeit, in Fällen, in denen eine solche jedoch nicht gefordert wird, z. B. bei sehr großen Prototypen von etwa 1 m × 1 m × 1 m oder größer, ist das dadurch auch sehr teure Verfahren nicht wirtschaftlich.

Ein Rapid-Prototyping-Verfahren mit Industrierobotern in dem Sinne, daß keine Zerspanvorgänge stattfinden (substraktiver Prozeß), sondern Material zugefügt wird (additivier bzw. generativer Prozeß) ist in der DE 198 51 224 C1 beschrieben, die ein Verfahren zur Herstellung definierter Freiformflächen in Formstoff aus pastösem Material oder Schüttgut, das mittels einer Auftragseinrichtung auf einen Auftragsgrund aufgebracht worden ist, durch eine Walzeinrichtung offenbart. Dieses Verfahren ist im Gegensatz zu dem schichtweise arbeitenden zuvor beschriebenen Rapid-Prototyping-Verfahren für große Prototypen bzw. Formen geeignet. Es wird dabei der Prototyp durch Aufbringen einer Formstoffschicht auf eine voreingestellte Form und durch dreidimensionales Modellieren durch ein robotergeführtes Walzwerkzeug hergestellt. Nachteilig ist hierbei, daß zwei Roboterwerkzeuge benötigt werden, nämlich zum Aufbringen sowie zum Modellieren des Formstoffs. Weiterhin muß zum Erreichen einer definierten Dichte der Formstoffschicht der Formstoff dosiert aufgetragen werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von Prototypen oder Formen aus Formmaterial bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen von Formen aus Formmaterial mit im Formmaterial "tauchenden" und dreidimensional geführten Werkzeugen, wobei das Formmaterial mittels eines Verfestigungswerkzeugs mit Verfestigungsenergie beaufschlagt wird, und das Verfestigungswerkzeug dreidimensional im bzw. durch das Formmaterial bewegt wird, wobei hierdurch die Form, die als dreidimensionale Freiform ausgebildet ist, durch Verfestigen des Formmaterials gebildet wird und wobei das überschüssige Formmaterial nach dem Verfestigen und der Formbildung entfernt wird. Ein derartiges Verfahren bietet den Vorteil, in einem mit Formmaterial gefüllten Behälter unter der Oberfläche, d. h. innerhalb des Formmaterials lokal und gezielt zu verfestigen und auf diese Weise einen Prototypen bzw. eine Form herzustellen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren taucht das Verfestigungswerkzeug gleichsam in das Formmaterial ein und bewegt sich ähnlich wie in einer Flüssigkeit durch das unverfestigte Formmaterial. Die Formherstellung kann dabei schichtweise erfolgen, wobei die Schichten nicht horizontal verlaufen müssen, es kann jedoch auch eine völlig freie dreidimensionale Form in einem Arbeitsgang hergestellt werden.

Das Entfernen des unverfestigten Formmaterials nach der Formbildung kann je nach Größe der Form durch Absaugen oder Ausleeren erfolgen.

Unter Formmaterial sollen hierbei sowohl quarzsandbasierte Formstoffe, aber auch nicht quarzsandbasierte Materialien verstanden werden.

Gegenüber den konventionellen, schichtweise arbeitenden Rapid- Prototyping-Verfahren bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, mit einer höheren Prozeßgeschwindigkeit arbeiten zu können und gleichzeitig ein praktisch unbegrenztes Bauvolumen zur Verfügung zu stellen. Insbesondere für Prototypen mit großen zulässigen Toleranzen bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine wirtschaftliche Alternative.

Gegenüber dem aus der DE 198 51 224 C1 bekannten Verfahren bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß kein zusätzliches Roboterwerkzeug zum Auftrag des Formstoffs erforderlich ist, darüber hinaus wird die aufwendige Dosiereinrichtung eingespart und es können außer quarzsandbasierten Formstoffen auch andere Formmaterialien, z. B. Flüssigkeiten verwendet werden.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die Verfestigung mittels mechanischer, thermischer, chemischer oder Lichtenergie erfolgt. Als mechanische Verfestigung kommt die Verdichtung beispielsweise durch einen "Stampfer" in Frage, wobei das Werkzeug oszillierende Bewegungen durchführt. Die Form bildet sich dann durch die verdichteten Bereiche aus. Weiterhin kann vorgesehen sein, daß alternativ oder zusätzlich die Verfestigung des Formmaterials thermisch basiert ist, so daß z. B. durch Begasung mit heißem Gas oder Einleiten einer heißen Flüssigkeit das Formmaterial aushärtet. Eine Aushärtung kann auch mit Hilfe von Lichtenergie, z. B. UV-Licht oder Laserlicht herbeigeführt werden.

Zum Eintrag z. B. eines reaktiven oder heißen Gases kann das Verfestigungswerkzeug z. B. mit einer verschließbaren Düse ausgestattet sein. Der Eintrag von Wärmeenergie kann alternativ auch über ein Werkzeug mit beheiz- und/oder kühlbarer Stirnfläche erfolgen.

Eine weitere Alternative der Zuführung von Verfestigungsenergie kann die Zuführung von chemischer Energie durch eine chemische Reaktion sein. So kann z. B. ein durch chemische Reaktion aushärtendes quarzsandbasiertes Formmaterial mit reaktivem Gas oder Flüssigkeit, z. B. Kohlendioxid ähnlich dem Wasserglasverfahren bei der Herstellung von Formen und Kernen der Gießereitechnik, begast werden.

Als Formstoffe kommen neben warmaushärtenden quarzsandbasierten Formmaterialien auch tongebundene quarzsandbasierte Formmaterialien für die mechanische Verdichtung sowie andere pastöse und schüttgutartige Formmaterialien zur Anwendung, die sich durch eines der genannten Verfahren verfestigen lassen. Weiterhin können auch entsprechende Flüssigkeiten oder Gele eingesetzt werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Anmeldungsunterlagen.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Rapid-Prototyping- Verfahrens;

Fig. 2 ein Werkzeug zum Verfestigen mittels Begasung;

Fig. 3 Bewegungsarten eines Verdichtungswerkzeugs;

Fig. 4 oszillatorische Bewegungen des Werkzeugs und

Fig. 5 eine Düse zur Begasung des Formmaterials.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung das erfindungsgemäße Rapid-Prototyping-Verfahren zur Herstellung von Formen aus Formmaterial. Hierbei wird Formmaterial 10 in einen Behälter 12 zur Aufnahme des Formmaterials 10 eingefüllt, bis der Behälter 12 im wesentlichen bis zu seiner Oberkante gefüllt ist. Anschließend wird ein Werkzeug 14, das durch eine Handhabungseinrichtung bzw. durch einen Industrieroboter 16 geführt ist, in das Formmaterial 10 eingetaucht. Insofern handelt es sich bei dem Werkzeug 14 um ein "tauchendes Werkzeug". Das eingetauchte Werkzeug 14 beaufschlagt das Formmaterial 10 mit Verfestigungsenergie, hier beispielsweise in Form von heißem Gas (Fig. 2).

Bei dem Formmaterial 10 handelt es sich um ein warmaushärtendes quarzbasiertes Formmaterial, das unter Zuführung von thermischer Energie aushärtet. Das tauchende Werkzeug 14 wird durch den Roboter 16 in dem Formmaterial 10 geführt, wobei es sich teilweise wie durch eine Flüssigkeit bewegt und teilweise das Material 10 verfestigt. Die Form bzw. der Prototyp 20 entsteht dabei im wesentlichen in einem Arbeitsschritt. Nach Fertigstellung des Prototyps 20 wird dieser aus dem Behälter 12 entfernt und das überschüssige Formmaterial 22, das nicht durch die thermische Energie ausgehärtet wurde, kann erneut in den Herstellungsprozeß gegeben werden. Das Entfernen des überschüssigen Formmaterials 22 erfolgt durch Absaugen, wobei der Prototyp 20 hiernach aus dem Behälter 12 entnommen wird.

Fig. 2 zeigt ein tauchendes Werkzeug 14 (gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen), das durch eine Handhabungseinrichtung bzw. einen Industrieroboter 16 geführt ist. Aus einer Gasflasche 24 wird über eine Gaszufuhr 26 Gas über eine Pumpe 28 in das Werkzeug 14 eingeleitet. Das Werkzeug 14 bewegt sich mit seinem Kopf 30 in einem Behälter 12, der bis zu seiner Oberkante mit Formmaterial 10 gefüllt ist. Der Kopf 30 des Werkzeugs 14 wird dabei so geführt, daß die Werkzeugspitze 32, die eine Düse zum Austritt des Gases beinhaltet, auf das zu verfestigende Formmaterial gerichtet ist. Das zu verfestigende Formmaterial ist hier durch eine doppelstrichpunktierte Linie angedeutet. Die Verfestigung des Formmaterials 10 erfolgt hierbei abschnittsweise, wobei das Werkzeug 14 nicht zwangsweise entlang horizontaler Schichten verfahren werden muß. Das bereits verfestigte Formmaterial 34 ist dunkel schraffiert dargestellt.

Soll das Werkzeug 14 mit seiner Spitze 32 innerhalb des losen Formmaterials 10 bewegt werden, wird die Düse zum Austritt des Heißgases verschlossen, so daß keine weitere Verfestigung eintritt.

Fig. 3 zeigt ein tauchendes Werkzeug, das auf mechanische Weise die Verdichtungsenergie zum Verfestigen des Formmaterials 10 in dasselbe einträgt. Das Formmaterial ist in diesem Fall quarzsandbasierter tongebundener Formstoff. Das Formmaterial 10 befindet sich wiederum innerhalb eines Behälters 12. Das Werkzeug 14 kann dabei in senkrechte Richtung (dicker Pfeil) vorgeschoben werden, wobei es gleichzeitig eine oszillatorische Bewegung, die durch die kleinen Pfeile bzw. den Doppelpfeil dargestellt ist, durchführen kann.

Zum Verdichten führt das Verfestigungswerkzeug 14 eine oszillierende bzw. vibrierende Auf- und Abbewegung durch, die in dem ersten Bild (a) der zugehörigen Fig. 3 dargestellt ist. Das Erreichen der gewünschten Verfestigung wird durch einen Kraftsensor detektiert. Durch Heben des Verfestigungswerkzeugs, wie es in Bild (b) von Fig. 3 gezeigt ist, kann loser Formstoff entsprechend den gekrümmten Pfeilen unter das Werkzeug 14 nachgeführt werden. Das Lösen von bereits verfestigtem Formstoff (Bild (c) von Fig. 3) bzw. das Abtragen desselben kann durch oszillierende Seitwärtsbewegung oder kreisförmige Bewegung geschehen.

Bild (d) zeigt eine Bewegung, die zum Eindringen in losen Formstoff dient. Hierbei wird eine oszillierende Pendelbewegung zusammen mit einer Vorschubbewegung durchgeführt.

Mit einer translatorischen Seitwärtsbewegung mit überlagerter Oszillation kann eine translatorische Werkzeugbewegung durch loses Formmaterial 10 realisiert werden. Das Werkzeug bewegt sich damit durch das Formmaterial 10 wie durch eine Flüssigkeit, in der die Teilchen das Werkzeug 14 umwandern.

Fig. 4 zeigt noch einmal die mögliche Bewegung eines tauchenden Verdichtungswerkzeugs mit oszillatorischen Bewegungen. Die oszillatorische Bewegung ist hierbei durch den Doppelpfeil dargestellt, wohingegen die Vorschubbewegung durch den einfachen dicken Pfeil abgebildet wird. Die oszillierenden Bewegungen können dabei in Richtung des Werkzeugsvorschubs (b), aber auch ortogonal (a) hierzu erfolgen. Weiterhin können rotatorische Bewegungen normal (c) sowie in Vorschubrichtung (d) durchgeführt werden, also axial bzw. radial. Schließlich ist eine Pendelbewegung (e) des Verdichtungswerkzeugs möglich. Möglich sind auch Bewegungen, die aus Kombinationen dieser Grundbewegungen entstehen. Zusätzlich ist es denkbar, das Werkzeug mit Ultraschall zu beaufschlagen.

Fig. 5 zeigt schließlich eine Düse zur Zufuhr des Verfestigungsmittels, beispielsweise eines heißen bzw. eines reaktiven Gases oder einer Flüssigkeit, die mit dem Formmaterial reagiert. Mit den Pfeilen 40 sind die Bewegungsrichtungen des Düsenkerns 42 dargestellt, der in eine Öffnung 44 des Düsengehäuses 46 hineinverfahren werden kann, und diese dichtend verschließt. Ist der Düsenkern 42 nicht in die Öffnung 44 vollständig eingefahren, d. h. verschließt er die Öffnung 44 nicht, so strömt heißes bzw. reaktives Gas oder Flüssigkeit 48 am Düsenkern 42 entlang durch die Öffnung 44 und tritt in Kontakt mit dem Formmaterial.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen von Formen aus Formmaterial, wobei das Formmaterial mittels eines Verfestigungswerkzeugs mit Verfestigungsenergie beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das in das Formmaterial eingetauchte Verfestigungswerkzeug dreidimensional im bzw. durch das Formmaterial bewegt wird, wobei hierdurch die Form, die als dreidimensionale Freiform ausgebildet ist, durch Verfestigen des Formmaterials gebildet wird und wobei das überschüssige Formmaterial nach dem Verfestigen und der Formbildung entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung mittels mechanischer, thermischer und/oder Lichtenergie erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung mittels einer chemischen Reaktion erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung des Formmaterials mittels Begasung mit einem heißen bzw. reaktiven Gas oder mittels Einleitung einer heißen bzw. reaktiven Flüssigkeit erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Formmaterial ein quarzsandbasierter Formstoff bzw. ein Schüttgut auf Quarzsandbasis, ein pastöses Material, eine Flüssigkeit oder ein Gel verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bilden der Form mittels eines oszillierende Bewegungen durchführenden Verfestigungswerkzeugs erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfestigungswerkzeug eine Düse zum Austritt von Gas und/oder Flüssigkeit aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfestigungswerkzeug eine heiß- und/oder kühlbare Stirnseite zum Einbringen von thermischer Verfestigungsenergie aufweist.