DE102014220083A1

DE102014220083A1 - Verfahren und Herstellvorrichtung zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils sowie ein dreidimensionales Bauteil

Info

Publication number: DE102014220083A1
Application number: DE102014220083.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Stark; Michael Schmitz; Bodo Neubert
Original assignee: Hochschule fur Angewandte Wissenschaften Coburg
Current assignee: Hochschule fur Angewandte Wissenschaften Coburg
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2016-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang (2), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen von Partikeln (108); Bereitstellen wenigstens eines Bindermaterials (110); Versehen der Partikel (108) mit dem wenigstens einen Bindermaterial (110) zum Ausbilden des Materials des Materialstrangs (2); Schichtweises Auftragen des Materialstrangs (2) in Form des dreidimensionalen Bauteils mittels einer Auftrageeinrichtung (5), und Aushärten des dreidimensionalen Bauteils.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Herstellvorrichtung zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Material aus mit wenigstens einem Bindermaterial versehenen Partikeln, sowie ein dreidimensionales Bauteil.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Für den schnellen Prototypenbau von Bauteilen oder festen Modellen auf der Basis von 3D-Computermodellen, gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren. Die bisherigen Verfahren unterscheiden sich durch die verwendeten Ausgangsstoffe und die eingesetzten Bauverfahren. Allen Verfahren gemein ist, dass der Aufbau in Schichten erfolgt.
Zwei der wesentlichen bisherigen Verfahren werden nachfolgend näher vorgestellt.
Eines dieser Verfahren ist das sog. Fused Layer Modeling (FLM), welches in der EP 0 833 237 B1 beschrieben ist. Bei diesem Verfahren werden meist in Drahtform vorliegende Thermoplaste in einer beheizten Düse aufgeschmolzen und durch diese auf das Trägerteil extrudiert. Durch gezielte Steuerung der Vorschubrate des flexiblen Strangs und durch die Relativbewegung zwischen einem Abgabekopf und einem Trägerteil wird ein dreidimensionaler Gegenstand mit vorbestimmter Form durch aufeinanderfolgende Ablagerung von mehreren Lagen des Materials erzeugt.
Ein anderes Verfahren ist das sog. Three Dimensional Printing (3DP), welches in der EP 0 431 924 B1 beschrieben wird. Darin wird ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht auf eine Plattform aufgetragen. Es wird hierbei selektiv ein Bindemittel mittels eines Druckkopfes eingebracht, welches das Pulver im bedruckten Bereich verbindet. Durch wiederholtes Auftragen von Schichten und Bindemittel wird nach und nach die gewünschte dreidimensionale Geometrie als fester Verbund erstellt. Anschließend wird das nicht verbundene Partikelmaterial entfernt.
Mit dem sog. Fused Layer Modeling (FLM)-Verfahren ist es derzeit nicht möglich, glatte Bauteilaußenseiten herzustellen. Hier bilden sich deutlich die einzelnen Schichten ab. Darüber hinaus können keine Strukturen an den Außenwänden des Bauteils bzw. einer einzelnen Bahn, eingebracht werden. Entsprechend ist die Aufbringung sehr großer Schichten immer mit einer sehr stark unebenen Außenseite verbunden.
Beim Three Dimensional Printing (3DP)-Verfahren können keine geschlossenen Hohlräume realisiert werden, in denen nach dem Druckprozess, das Pulver auch wieder entfernbar ist.
Beide Verfahren weisen des Weiteren das Problem auf, dass es schwierig ist, sehr schnell leichte Strukturen im großen Maßstab kostengünstig herzustellen.
Des Weiteren ist aus der WO 2006/033621 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus Holzmehl bekannt. Dabei wird Holzmehl auf einen Träger aufgetragen und anschließend ein Bindemittel auf die Lage aus Holzmehl. Das Auftragen von Holzmehl und Bindemittel wird abwechselnd wiederholt, wobei die Lagen aus Holzmehl durch das Bindemittel zu dem fertigen Produkt miteinander verbunden werden. Dabei wird eine Abziehklinge eingesetzt, um überschüssiges Holzmehl von einer jeweiligen Holzmehlschicht zu entfernen und eine Holzmehlschicht mit einer entsprechenden Dicke zu erzielen.
In der US 0,431,924 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils beschrieben, wobei zunächst eine Lage aus einem Pulvermaterial und anschließend ein Bindemittel auf einen ausgewählten Bereich des Pulvermaterials aufgetragen wird. Die Schritte des Auftragens des Pulvermaterials und des Bindemittels werden wiederholt bis das fertige Bauteil gebildet ist. Anschließend wird das überschüssige nicht durch das Bindermaterial gebundene Pulvermaterial entfernt. Zum Entfernen von überschüssigem Pulvermaterial wird eine Klinge eingesetzt. Des Weiteren kann eine Form, in welche das Pulvermaterial und das Bindemittel aufgetragen werden, in Vibration versetzt werden, um das Pulvermaterial gleichmäßiger zu verteilen.
Weiter ist aus der DE 101 17 875 C1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auftragen von Fluiden, insbesondere Partikelmaterial, bekannt. Hierbei wird das Fluid vor einer Klinge, in Vorwärtsbewegungsrichtung der Klinge gesehen, auf einen zu beschichtenden Bereich aufgetragen. Danach wird die Klinge über dem aufgetragenen Fluid verfahren. Die Klinge führt dabei eine Schwingung nach Art einer Drehbewegung aus.
Aus der DE 10 2004 008 168 A1 ist ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auftragen von Fluiden, insbesondere Partikelmaterial, bekannt. Dabei wird nach dem Auftragen des Fluids auf einen zu beschichtenden Bereich ein Nivellierelement über dem aufgetragenen Fluid verfahren, wobei das Fluid aus einem mit einer Öffnung versehenen Dosiersystem zugeführt wird, das zumindest bei Auftragen des Fluids eine Schwingung ausführt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Herstellung eines dreidimensionalen Bauteils bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein dreidimensionales Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 und/oder durch eine Herstellungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Bereitstellen von Partikeln,
Bereitstellen wenigstens eines Bindermaterials,
Versehen der Partikel mit dem wenigstens einen Bindermaterial zum Ausbilden des Materials des Materialstrangs,
Schichtweises Auftragen des Materialstrangs in Form des dreidimensionalen Bauteils mittels einer Auftrageeinrichtung, und
Aushärten des dreidimensionalen Bauteils.
Durch das schichtweise Auftragen eines fertigen Materialstrangs aus mit wenigstens einem Bindermaterial versehenen Partikeln kann sehr einfach ein dreidimensionales Bauteil schichtweise erstellt werden. Dabei muss nicht wie bei anderen Verfahren anschließend nicht verbundenes Partikelmaterial entfernt werden. Stattdessen kann der Materialstrang ausschließlich zur Ausbildung des dreidimensionalen Bauteils eingesetzt werden. Dadurch kann das dreidimensionale Bauteil mit beliebigen Formen und insbesondere mit Hohlräumen erstellt werden, ohne dabei berücksichtigen zu müssen, wie nicht verbundenes Partikelmaterial anschließend wieder entfernt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein Formen zumindest eines Abschnitts der Kontur des Materialstrangs und/oder ein Einbringen wenigstens eines zusätzlichen Materials in den Materialstrang. Das zusätzliche Material ist dabei z. B. fest, flüssig, gasförmig und/oder pastös. Mittels des zusätzlichen Material sowie des zusätzlichen Formen des Materialstrangs können die Eigenschaften des Materialstrangs und damit dem daraus hergestellten Bauteils gezielt beeinflusst werden. Beispielsweise führt das Einbringen eines zusätzlichen gasförmigen Materials in den Materialstrang zu einem leichteren Bauteil. Während mittels des Formens des Materialstrangs beispielsweise der Materialstrang mit einer glatten Außenfläche versehen werden kann.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Material des Materialstrangs die gleichen oder verschiedene Partikel auf. Die gleichen oder die verschiedenen Partikel in dem Materialstrang können dabei gleichmäßig oder ungleichmäßig entlang der Länge und/oder der Breite des Materialstrangs verteilt werden. Dabei können sich im Falle von verschiedenen Partikeln diese sich z. B. hinsichtlich ihres Materials, ihrer Größe, ihrer Form, ihrem Gewicht, ihrer Dichte und/oder ihrer Struktur voneinander unterscheiden. Beispielsweise können Partikel mit einer hohlen oder porösen Struktur wiederum mit Partikeln mit einer massiven Struktur kombiniert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Partikel in Form von Fasern, Kugeln, Granulat, Pellets, Spähnen und/oder Pulver ausgebildet sein. Des Weiteren können die Partikel z. B. aus Holz, Papier, Pappe, Zellulose, Styropor, Metall, Kunststoff, Keramik, Kohlefasern, Glasfasern, einem mineralischen Werkstoff und/oder Harz bestehen. Materialien wie Holz, Zellulose, Pappe und Papier haben den Vorteil, dass sie natürliche nachwachsende Rohstoffe sind.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Bindermaterial wenigstens ein Thermoplast, ein Klebstoff, ein Harz und/oder ein Harzsystem ist. Ein Harzsystem besteht dabei aus wenigstens zwei Komponenten beispielsweise einem Harz und einem Harter. Der Klebstoff ist wiederum z. B. ein Schmelzklebstoff, ein Reaktionsklebstoff, ein Lösemittelklebstoff oder ein Dispersionsklebstoff.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist der Schritt des Versehens der Partikel mit dem wenigstens einen Bindermaterial das Aufsprühen des Bindermaterials auf die Partikel durch wenigstens eine Düse wenigstens einer Bindermaterialeinrichtung auf. Im Falle von zwei oder mehr Düsen, können diese beispielsweise nebeneinander oder übereinander angeordnet sein und die Partikel beispielsweise mit demselben oder einem unterschiedlichen Bindermaterial versehen. Ebenso können die Partikel mit dem Bindermaterial in einer Mischereinrichtung gemischt und/oder das Bindermaterials auf die Partikel durch wenigstens eine mit dem Bindermaterial getränkte Walze aufgetragen werden. Die Walze ist dabei z. B. mit einer saugfähigen Beschichtung versehen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein aktives und/oder passives Zuführen der Partikel mittels wenigstens einer Partikelzuführungseinrichtung der wenigstens einen Bindermaterialeinrichtung. Die Partikel können dabei passiv aufgrund ihrer Schwerkraft, insbesondere als ein Partikelvorhang, und/oder aktiv mittels wenigstens eines Förderbands, einer Förderwalze, eines Schlauchsystems, eines Rohrsystems und/oder mittels eines druckbasierten Systems usw. der wenigstens einen Bindermaterialeinrichtung zugeführt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein Steuern und/oder Regeln des Zuflusses der Partikel mittels der wenigstens einen Partikelzuführungseinrichtung zu der Bindermaterialeinrichtung. Dabei kann z. B. eine konstante Menge und/oder eine variierende Menge der Partikel durch die Partikelzuführungseinrichtung der wenigstens einen Bindermaterialeinrichtung zugeführt werden.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein Kompaktieren der mit dem Bindermaterial versehenen Partikel in einer Kompaktierungs- und Fördereinrichtung. Das Kompaktieren der mit dem Bindermaterial versehenen Partikel kann vor dem Auftragen durch die Auftrageeinrichtung, während dem Auftragen durch die Auftrageeinrichtung und/oder nach dem Auftragen durch die Auftrageeinrichtung auf eine Unterlage erfolgen, je nach Funktion und Einsatzzweck.
In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein Formen des Materialstrangs vor, während und/oder nach dem Härten des Materialstrangs. Der Materialstrang kann nach dem Härten geformt werden z. B. durch Erwärmen des Materialstrangs und/oder durch eine spanende Bearbeitung des Materialstrangs.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein Aushärten des Materialstrangs durch Strahlung, z. B. Infrarot (IR)-Strahlung, Laserstrahlung oder UV-Strahlung, durch mechanische Energie, beispielsweise Ultraschall, und/oder Wärme.
In noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein schichtweises Auftragen mehrerer Materialstränge zur Ausbildung des dreidimensionalen Bauteils mittels einer gemeinsamen Auftrageeinrichtung oder jeweils einer eigenen Auftrageeinrichtung. Die Materialstränge können dabei z. B. aus demselben Material oder einem unterschiedlichen Material hergestellt sein, je nach Funktion und Einsatzzweck.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein Ausbilden des dreidimensionalen Bauteils mit wenigstens einer Stützstruktur. Die wenigstens eine Stützstruktur kann nach dem Aushärten des Bauteils entfernt werden. Die Stützstruktur kann aus demselben Material wie das Bauteil oder einem anderen Material als das Bauteil hergestellt sein.
Wie zuvor beschrieben, kann durch das Formen zumindest eines Abschnitts der Kontur des Materialstrangs das Bauteil sehr einfach und kostengünstig beispielsweise gezielt mit Vertiefungen oder Hohlräumen versehen werden zur Ausbildung einer Leichtbauweise. Ebenso kann auch beispielsweise die Kontur des Bauteils derart geformt werden, dass die Oberfläche des Bauteils geglättet wird, wodurch aufwendige Nachbearbeitungen der Oberflächenkontur des Bauteils entfallen. Mittels des Einbringens eines zusätzlichen Materials in oder auf den Materialstrang kann der Materialstrang beispielsweise zusätzlich verstärkt werden, indem z. B. Fasern zugeführt werden, oder leichter gestaltet werden, indem beispielsweise Partikel aus Styropor dem Materialstrang zugeführt wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Bearbeitungseinrichtung derart ausgebildet, zumindest den Abschnitt der Kontur des Materialstrangs zu glätten, aufzurauen, zu kompaktieren, mit Vertiefungen und/oder Erhebungen auszubilden. Durch das Glätten der Kontur des Materialstrangs kann das Bauteil mit einer verbesserten Oberflächengüte ausgebildet werden. Durch das Kompaktieren des Materialstrangs kann wiederum die Dichte des Materialstrangs erhöht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das zusätzliche Material ein festes Material, insbesondere Fasern, ein flüssiges Material, ein gasförmiges Material, insbesondere Luft, ein pastöses Material und/oder ein pulverförmiges Material. Durch das Zuführen des zusätzlichen Materials können gezielt die Eigenschaften des Bauteils beeinflusst werden. Beispielsweise kann ein Bauteil besonders leicht gestaltet werden durch das Einbringen eines gasförmigen Materials, wie z. B. Luft, in den Materialstrang.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Düseneinrichtung als Bearbeitungseinrichtung ausgebildet, wobei die Düseneinrichtung insbesondere einen Kern als Formungselement aufweist. Der Kern ist dabei beispielsweise in der Düseneinrichtung derart angeordnet einen oder mehrere Hohlräume in dem Materialstrang der Düseneinrichtung auszubilden. Dabei wird das aushärtbare Material in der Düseneinrichtung an der Außenseite des Kerns entlang geführt und anschließend als Materialstrang auf einen Untergrund aufgetragen. Auf diese Weise kann mittels des Kerns der Materialstrang hohl oder mit wenigstens einem Hohlraum ausgebildet werden. Auf diese Weise kann ebenfalls z. B. ein besonders leichtes Bauteil ausgebildet werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Kern massiv oder hohl ausgebildet. Der hohle Kern ist dabei mit wenigstens einer Zuführungseinrichtung verbunden zum Zuführen des zusätzlichen Materials durch den hohlen Kern hindurch in den wenigstens einen durch den Kern erzeugten Hohlraum. Auf diese Weise kann der Materialstrang nicht nur mit wenigstens einem Hohlraum versehen werden, sondern dieser auch mit einem zusätzlichen Material oder Füllmaterial gefüllt werden, um die Eigenschaften des Materialstrangs und des daraus gebildeten Bauteils gezielt zu beeinflussen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Düseneinrichtung mit wenigstens einer Zuführungseinrichtung verbunden zum Zuführen des zusätzlichen Materials und Auftragen des zusätzlichen Materialstrangs zumindest auf einen Abschnitt der Außenseite des Materialstrangs. Beispielsweise kann die Außenseite des Materialstrangs mit Rovings oder Endlosfasern als zusätzlichem Material versehen werden. Auf diese Weise kann der Materialstrang beispielsweise zusätzlich verstärkt werden.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist die Bearbeitungseinrichtung wenigstens ein Formungselement auf zum Formen der Kontur des Materialstrangs. Das Formungselement ist dabei beispielsweise feststehend, verschieblich und/oder drehbar ausgebildet. Dabei kann das Formungselement beispielsweise eine Walze, eine Düse oder ein Schlitten sein. Der Schlitten kann dabei derart ausgebildet sein in den Materialstrang und aus dem Materialstrang zu fahren. Auf diese Weise kann der Materialstrang mit Vertiefungen versehen werden. Des Weiteren kann die Düse als Formungselement beispielsweise einen Luftstrahl oder Wasserstrahl erzeugen und mit Hilfe des Luftstrahls oder Wasserstrahls oder eines anderen geeigneten Fluidstrahls den Materialstrangs formen, z. B. Vertiefungen in der Oberfläche des Materialstrangs erzeugen oder die Oberfläche des Materialstrangs glätten usw..
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Formungselement auf seiner Außenseite mit wenigstens einem Strukturierungselement versehen. Das Strukturierungselement ist dabei eine Vertiefung und/oder eine Erhebung. Mittels des Strukturierungselements kann der Materialstrang mit einer beliebigen Oberflächenkontur versehen werden. Beispielsweise kann die Kontur mittels eines halbkugelförmigen Strukturierungselements mit einer Oberflächenkontur mit halbkugelförmigen Vertiefungen versehen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Materialstrang durch die Erhebung als Strukturierungselement mit wenigstens einer Vertiefung versehbar. Die wenigstens eine Vertiefung des Materialstrangs, z. B. auf der Oberseite des Materialstrangs, kann zusätzlich durch das Auftragen einer weiteren Schicht des Materialstrangs darüber verschlossen werden. Auf diese Weise kann das Bauteil mit Hohlräumen ausgebildet werden und dadurch leichter gebaut werden.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Formungselement zwei zueinander versetzt rotierende Elemente, z. B. Scheiben, auf, wobei Strukturierungselemente mit den rotierenden Elementen derart gekoppelt sind, dass die Strukturierungselemente in den und aus dem Materialstrang fahrbar sind zur Ausbildung von Vertiefungen in dem Materialstrang. Auf diese Weise kann der Materialstrang lediglich durch Rotieren der rotierenden Elemente beispielsweise mit Vertiefungen versehenen werden, während die Strukturierungselemente selbst feststehend ausgebildet sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Düseneinrichtung derart ausgebildet den Materialstrang senkrecht, in einer Schräge oder parallel zur der Unterlage zu fördern oder aufzutragen. Die Düseneinrichtung ist zur Auftragung des Materialstrangs in einer Schräge zu der Unterlage um einen Winkel geneigt oder neigbar ausgebildet. Dadurch können besonders einfach Bauteile mit schrägen Wänden oder Wände mit schrägen Abschnitten erzeugt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Düseneinrichtung einen Gegenhalter auf. Der Gegenhalter ist dabei feststehend oder verschieblich ausgebildet. Mittels des Gegenhalters kann ein ungewolltes Wegfließen des Materialstrangs beispielsweise nach vorne verhindert werden, wenn der Gegenhalter vor der Düseneinrichtung angeordnet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Düseneinrichtungen derart einander gegenüberliegend angeordnet, dass sie einen gemeinsamen Materialstrang erzeugen. Die Düseneinrichtungen können dabei beispielsweise unterschiedliche Materialien zuführen und so einen Materialstrang aus zwei unterschiedlichen Materialien bilden. Ebenso kann ein dickerer Materialstrang erzeugt werden durch das Zusammenführen des Materials zweier Düseneinrichtungen.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist die Auftrageeinrichtung wenigstens eine Partikelführungseinrichtung auf zum Zuführen von Partikeln.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest die Düseneinrichtung und/oder eine Bauplattform als Untergrund zum Auftragen des Materialstrangs in der X-Richtung, Y-Richtung und/oder Z-Richtung beweglich. Auf diese Weise kann jedes beliebige dreidimensionale Bauteil hergestellt werden.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen dabei:
1a eine erste Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
1b eine Variante der ersten Ausführungsform gemäß 1a;
2 eine zweite Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
3 eine dritte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
4 eine vierte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
5 ein Beispiel eines Materialstrangs, welcher mit einer Herstellungsvorrichtung gemäß der 3 oder 4 auf eine Unterlage aufbringbar ist;
6 ein weiteres Beispiel eines Materialstrangs, welcher mit einer Herstellungsvorrichtung gemäß der 3 oder 4 auf eine Unterlage aufbringbar ist;
7 eine fünfte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
8 eine sechste Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
9 eine siebte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
10 ein Materialstrang, welcher in mehreren Schichten übereinander aufgebracht wird;
11 ein weiterer Materialstrang, welcher in mehreren Schichten übereinander aufgebracht wird;
12 eine Schnittansicht A-A des Materialstrangs und der Formungselemente gemäß 11;
13 eine Schnittansicht A-A eines Materialstrangs;
14 eine achte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
15 eine neunte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
16 eine zehnte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
17 eine elfte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
18 eine zwölfte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
19 eine dreizehnte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
20 eine vierzehnte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
21 eine fünfzehnte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
22 eine sechzehnte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
23 eine siebzehnte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
24 eine achtzehnte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
25 eine neunzehnte Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
26 eine schematische Darstellung einer Drehung der Auftragseinrichtung;
27 eine zwanzigste Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
28 ein Ausführungsbeispiel einer Partikelzuführungseinrichtung mit einer Förderwalze;
29 ein Ausführungsbeispiel einer Kombination aus zwei Partikelzuführungseinrichtungen;
30 ein Ausführungsbeispiel einer weiteren Kombination aus zwei Partikelzuführungseinrichtungen mit einer Mischereinrichtung;
31 eine einundzwanzigste Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
32 ein Ausführungsbeispiel einer Düseneinrichtung;
33 ein Ausführungsbeispiel mehrerer Auftrageeinrichtungen mit dazu gehörenden Düseneinrichtungen; und
34 ein Ausführungsbeispiel einer Auftrageeinrichtung mit mehreren Düseneinrichtungen.
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts Anderes ausführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In 1a ist eine erste Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung 100 zur schichtweisen Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einer Materialbahn oder wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt. Im nachfolgenden wird der Begriff Materialstrang 2 verwendet, wobei der Begriff durch Materialbahn ersetzt werden kann. Der Materialstrang 2 wird dabei gemäß der auszubildenden dreidimensionalen Form oder Geometrie des herzustellenden Bauteils auf eine Unterlage, z. B. Bauplattform, schichtweise aufgetragen. Die Schichten des Materialstrangs 2 werden dabei in den nachfolgenden Figuren mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet. Dabei kann das Bauteil problemlos z. B. mit Hohlräumen ausgebildet werden. Im Gegensatz zu dem zuvor mit Bezug auf den Stand der Technik beschriebenen sog. Three Dimensional Printing (3DP), muss anschließend kein nicht verbundenes Partikelmaterial entfernt werden. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung.
Die Herstellungsvorrichtung 100 weist eine Auftrageeinrichtung 5 mit einer Düseneinrichtung 1 auf, zum schichtweisen Auftragen eines Materialstrangs 2 gemäß der Form des herzustellenden dreidimensionalen Bauteils. Der Materialstrang 2 besteht hierbei gemäß der Erfindung aus einem Material welches aus Partikeln, insbesondere festen Partikeln, z. B. Holzspänen, besteht, die mittels eines Bindermaterials aneinander haften. Der Materialstrang aus mit Bindermaterial versehenen Partikeln kann in einem Ausführungsbeispiel zusätzlich gefüllt werden, beispielsweise mit Fasern, insbesondere Kurzfasern oder Langfasern, Glasperlen, Styroporkugeln und/oder Hohlkörpern usw.. Die Aufzählung ist rein beispielhaft und die Erfindung ist auf die genannten Beispiele nicht beschränkt. Insbesondere kann der Materialstrang mit anderen Materialien oder Materialkombinationen gefüllt werden, je nach Funktion und Einsatzzweck. Styroporkugeln und Hohlkörper haben hierbei den Vorteil, dass sie zu einer Gewichtsreduzierung führen. Ein mit Fasern gefüllter Thermoplast hat wiederum den Vorteil einer höheren Festigkeit. Das zusätzliche Material oder die zusätzliche Materialkombination kann dabei in den Materialstrang eingearbeitet oder in wenigstens einem in dem Materialstrang ausgebildeten Hohlraum gefüllt werden.
Beispiele für ein Material bestehend aus Partikeln, die mittels eines Bindermaterials aneinander haften, zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2, werden nachfolgend weiter unten beschrieben im Anschluss an die Ausführungsformen für die Herstellungsvorrichtung 100 gemäß der 1a, 1b und 2–26, mit welchen der Materialstrang beispielsweise aufgetragen werden kann. Das Material wird durch die Düseneinrichtung 1 der Auftrageeinrichtung 5 auf einen Untergrund oder eine Unterlage 101, z. B. eine in 1a gezeigte Bauplattform 6, aufgetragen. Zwischen der Unterlage 101 und der Düseneinrichtung 1 ist in dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel eine zusätzliche Bearbeitungseinrichtung 4 dazwischen geschaltet. Diese Bearbeitungseinrichtung 4 ist mit der Düseneinrichtung gekoppelt und dient zum zusätzlichen Formen des Materialstrangs 2 und/oder zum Einbringen wenigstens eines zusätzlichen Materials in den Materialstrang 2 beispielsweise bevor dieser auf die Unterlage 101, z. B. die Bauplattform 6, aufgetragen wird. Mittels dieses Materials kann der Materialstrang zusätzlich gefüllt werden, wie zuvor ausgeführt wurde.
Bei der Formung des Materialstrangs 2 durch die Bearbeitungseinrichtung 4 kann beispielsweise die Oberfläche des Materialstrangs 2 verändert werden, z. B. durch die Schaffung einer glatten Oberfläche, die Schaffung einer bestimmten oder definierten Oberflächengeometrie oder -geometrien, z. B. das Ausbilden von Vertiefungen und/oder Erhebungen in dem Materialstrang 2 usw.. Zusätzlich oder alternativ kann eine Formung des Materialstrangs 2 auch durch die Düseneinrichtung 1 erfolgen, wie anhand von nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert wird.
Optional können auch zusätzliche Materialien, wie Fasern, ein Gas, wie z. B. Luft, ein Fluid, wie z. B. Wasser, ein pastöses Material, Partikel usw. in den Materialstrang 2 eingebracht werden, um diesen zu füllen.
Das wahlweise zusätzliche Formen des Materialstrangs 2 und/oder das Einbringen wenigstens eines zusätzlichen Materials in den Materialstrang 2 kann bereits in der Düseneinrichtung 1, im Anschluss an die Düseneinrichtung 1 noch vor dem Auftragen des Materialstrangs 2 auf eine Unterlage 101, während dem Auftragen des Materialstrangs 2 auf die Unterlage 101 und/oder nach dem Auftragen des Materialstrangs 2 auf die Unterlage 101 erfolgen. Das Formen des Materialstrangs 2 und/oder das Einbringen wenigstens eines zusätzlichen Materials in den Materialstrang 2 erfolgt nach dem Auftragen des Materialstrangs 2 auf die Unterlage 101 beispielsweise so lange der Materialstrang 2 noch formbar, nicht ausgehärtet und/oder Material in zumindest einen Bereich des Materialstrangs 2 einbringbar ist.
Eine Bearbeitung des Materialstrangs 2 kann aber auch noch nach dem Aushärten des Materialstrangs 2 durchgeführt werden. Beispielsweise kann der Materialstrang 2 durch Fräsen, Drehen, Schleifen und/oder Bohren usw. bearbeitet werden. Abhängig von dem für den Materialstrang 2 jeweils verwendeten Material kann der Materialstrang 2 auch erweicht werden, z. B. durch Erwärmen, und dann geformt werden.
In dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel wird der aus der Düseneinrichtung 1 austretende Materialstrang 2 vor dem Auftragen auf die gezeigte Bauplattform 6, durch die zwischen der Düseneinrichtung 1 und der Unterlage 101 angeordnete Bearbeitungseinrichtung 4 geführt und dort mittels wenigstens eines Formungselements 3 der Bearbeitungseinrichtung 4 geformt. Das jeweilige Formungselement 3 ist dabei beispielsweise eine Walze oder ein Schlitten, und auf einer Seite des Materialstrangs 2 angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel in 1a sind z. B. zwei Formungselemente 3 vorgesehen, die auf gegenüberliegenden Seiten des Materialstrangs angeordnet sind. Mittels der Walze oder des Schlittens als Formungselement 3 wird die Oberfläche des Materialstrangs 2 in dem Ausführungsbeispiel in 1a beispielweise zusätzlich geglättet. Die Walze als Formungselement 3 kann hierbei feststehend oder um ihre Längsachse 102 drehend vorgesehen sein. Die Längsachse 102 ist dabei in 1a senkrecht zur der Unterlage 101 angeordnet. Die Rotation der Walze als Formungselement 3 kann aktiv über wenigstens einen nicht dargestellten Aktuator erfolgen, z. B. einen Elektromotor, einen pneumatischen oder hydraulischen Aktuator usw., oder passiv drehbar gelagert und durch die Reibung an dem Materialstrang gedreht werden. In einem Ausführungsbeispiel kann das Formungselement seitlich nach außen oder nach oben weg geschwenkt werden.
Der Schlitten oder die Walze als Formungselement 3 kann ebenfalls feststehend oder in wenigstens der X-, Y- oder Z-Achse beweglich vorgesehen sein.
Die zusätzliche Formung des Materialstrangs 2 kann einseitig mittels eines Formungselements 3, oder zweiseitig mittels der beiden in 1a gezeigten wenigstens zwei Formungselemente 3, oder dreiseitig durch die Bearbeitungseinrichtung 4 vorgenommen werden, wie mit Bezug auf nachfolgende 2 erläutert wird.
In dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel sind im Falle von den z. B. zwei Formungselementen, die beiden Formungselemente 3 auf der rechten und linken Seite des Materialstrangs 2 angeordnet. Die Aufrageeinrichtung 5 mit ihrer Düseneinrichtung 1 ist relativ zu der Bauplattform 6 zumindest in Z-Richtung beweglich vorgesehen, um den Materialstrang in Z-Richtung auf die Bauplattform 6 aufzutragen. Dazu ist die Auftrageeinrichtung 5 und ihre Düseneinrichtung 1 und/oder die Bauplattform 6 zumindest in Z-Richtung beweglich ausgebildet, um ein Auftragen des Materialstrangs in Z-Richtung auf die Bauplattform 6 zu ermöglichen. Gegebenenfalls kann die Auftrageeinrichtung 5 und ihre Düseneinrichtung 1 und/oder die Bauplattform 6 in Z-Richtung, Y-Richtung und/oder X-Richtung beweglich ausgebildet sein. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung.
1b zeigt eine Variante der ersten Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 mit ihrer Bearbeitungseinrichtung. Dabei sind auf gegenüberliegenden Seiten des Materialstrangs 2 Formungselemente 3 angeordnet. Die Formungselemente 3 sind hierbei z. B. an der Düseneinrichtung 1 der Auftrageeinrichtung 5 in dem Ausführungsbeispiel in 1b angeordnet und optional zusätzlich nach oben wegschwenkbar, wie mit einem Pfeil in 1b angedeutet ist. Die Formungselemente 3 sind dabei jeweils als Düsen 11 ausgebildet zum Formen des von der Düseneinrichtung 1 abgegebenen Materialstrangs 2. Die jeweilige Düse 11 erzeugt dabei einen Fluidstrahl, beispielsweise einen Wasserstrahl oder Luftstrahl usw., um mittels des Fluidstrahls den Materialstrang 2 wahlweise zusätzlich zu formen. Dabei können, wie in dem Ausführungsbeispiel in 1b gezeigt ist, zwei Düsen 11 übereinander angeordnet werden, wobei jede der Düsen z. B. einen breiten Strahl erzeugt, um beispielsweise die Oberfläche des Materialstrangs 2 zusätzlich zu glätten. Ebenso kann die jeweilige Düse 11 auch einen nicht dargestellten gebündelten Fluidstrahl erzeugen, um beispielsweise eine Vertiefung oder Vertiefungen in dem Materialstrang 2 auszubilden. Die Anordnung der Düsen 11 in 1b ist rein beispielshaft. Ebenso können die Düsen 11 auch derart vorgesehen werden, dass sie von oben beispielsweise den auf eine Unterlage 101, z. B. Bauplattform 6, aufgetragenen Materialstrang 2 glätten und/oder Vertiefungen in diesen einformen, je nachdem wie der Düsenstrahl der Düse 11 ausgebildet ist und mit welchem Druck der Fluidstrahl der Düse 11 auf die Oberfläche des Materialstrangs 2 auftrifft.
In 2 ist eine zweite Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Die zweite Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 2 unterscheidet sich dabei von der ersten in 1 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass die Bearbeitungseinrichtung 4 neben den beiden auf den gegenüberliegenden Seiten angeordneten Formungselementen 3 wie in 1, ein weiteres Formungselement 3 aufweist, welches auf der Oberseite des Materialstrangs 2 angeordnet ist.
Die Formung des Materialstrangs 2 durch die Bearbeitungseinrichtung 4 erfolgt dabei nach dem Aufbringen des Materialstrangs 2 und insbesondere bevor dieser ausgehärtet oder verfestigt ist. Neben dem ersten Formungselement 3 ist ein zweites Formungselement 3 auf einer Seite des Materialstrangs 2 vorgesehen. Optional kann wenigstens ein zusätzliches nicht dargestelltes drittes Formungselement, beispielsweise eine Walze zur Glättung des Materialstrangs 2, auf der anderen Seite des Materialstrangs 2 und gegenüberliegend oder versetzt zu dem zweiten Formungselement 3 vorgesehen werden. In diesem Fall erfolgt beispielsweise eine dreiseitige Formung des Materialstrangs 2.
Zur Formung des Materialstrangs 2 nach dem Aufbringen des Materialstrangs 2 auf einen Unterlage 101 sind die Formungselemente 3 hinter der Auftrageeinrichtung 5 mit ihrer Düseneinrichtung 1 in Auftragsrichtung oder Z-Richtung vorgesehen, im Gegensatz zu nachfolgender 8.
Die Bearbeitungseinrichtung 4 kann hierbei neben beispielsweise einer Glättung der Oberseite und einer oder beider Seiten des Materialstrangs 2 durch die zwei oder drei Formungselemente 3 auch eine zusätzliche Kompaktierung des Materialstrangs 2 vornehmen. Dabei kann der Materialstrang 2 durch wenigstens eines der Formungselemente 3, beispielweise das Formungselement 3 auf der Oberseite des Materialstrangs 2, zusätzlich kompaktiert oder zusammengedrückt werden.
Der Materialstrang 2 kann durch die Aufrageeinrichtung 5 mit ihrer Düseneinrichtung 1 relativ zu der Bauplattform 6 in Z-Richtung in mehreren Schichten übereinander aufgetragen und kompaktiert werden. Zum Auftragen des Materialstrangs 2 in mehreren Schichten ist die Aufrageeinrichtung 5 mit ihrer Düseneinrichtung 1 und/oder die Bauplattform 6 nicht nur wie zuvor in 1 in Z-Richtung sondern zusätzlich auch zumindest in Y-Richtung verschieblich oder verfahrbar ausgebildet.
In 3 ist eine dritte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Die dritte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 3 unterscheidet sich dabei von der ersten in 1 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass die Bearbeitungseinrichtung 4 nicht in Y-Richtung, wie in 1, sondern während des Aufbringens des Materialstrangs 2 auf die Unterlage 101 zusätzlich zu der Y-Achse neigbar oder kippbar ausgebildet ist. Dadurch kann der Materialstrang 2 in dem Ausführungsbeispiel in 3 sowohl in Y-Richtung oder senkrecht auf die Unterlage 100 als auch geneigt zu der Y-Achse auf die Unterlage 100 aufgebracht werden. Die Auftrageeinrichtung 5 mit ihrer Düseneinrichtung 1 ist dagegen weiterhin in Y-Richtung oder senkrecht zu der Unterlage 101 in dem Ausführungsbeispiel in 3 angeordnet. Die Auftragerichtung des Materialstrangs 2 auf die Unterlage 100 verläuft in Z-Richtung. Der Materialstrang 2 kann jedoch nicht nur in Schichten übereinander sondern auch in einer oder mehreren Schichten oder Lagen nebeneinander aufgebracht und bearbeitet werden. Dazu kann die Auftrageeinrichtung 5 und ihre Düseneinrichtung 1 und/oder die Bauplattform 6 zusätzlich auch in X-Richtung beweglich ausgebildet sein. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung.
Des Weiteren ist in 4 eine vierte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Die vierte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 4 unterscheidet sich dabei von der dritten in 3 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass nicht nur die Bearbeitungseinrichtung 4 mit ihren Formungselementen 3, sondern auch die Auftrageeinrichtung 5 und ihre Düseneinrichtung 1 relativ zu der Y-Achse und damit der Unterlage 101, hier der Bauplattform in 4, neigbar oder kippbar ausgebildet sind. Dabei liegen die Bearbeitungseinrichtung 4 und ihre Formungselemente 3 und die Auftrageeinrichtung 5 und ihre Düseneinrichtung 1 beispielsweise in einer Achse mit einem Neigungswinkel α zu der Y-Achse. Ebenso ist es auch möglich, dass die Auftrageeinrichtung 5, die Düseneinrichtung 1 und/oder die Formungselemente 3 statt demselben jeweils einen unterschiedlichen Neigungswinkel zu der Y-Achse aufweisen (nicht dargestellt). Die Auftrageeinrichtung in 4 ist ebenfalls wie in 3 in Z-Richtung beweglich.
In 5 ist ein Beispiel gezeigt, in welchem der Materialstrang 2 bestehend aus mit Bindermaterial versehenen Partikeln, mit einer Herstellungsvorrichtung gemäß der 3 oder 4 auf eine Unterlage 101, hier eine Bauplattform 6, aufbringbar ist. Durch das Neigen oder Verkippen zumindest der Bearbeitungseinrichtung mit ihren Formungselementen, wie in 3, oder alternativ der Auftrageeinrichtung und ihrer Düseneinrichtung zusammen mit der Bearbeitungseinrichtung und ihren Formungselementen, wie in 4, zu der Y-Achse, während des Auftragens des Materialstrangs 2 in mehreren Schichten auf die Bauplattform 6, kann der Materialstrang 2 mit verschiedenen Schrägen oder Abwinkelungen versehen werden. In 5 sind die Formungselemente dabei z. B. immer parallel zueinander angeordnet.
Weiter ist in 6 ein anderes Beispiel für einen Materialstrang 2 gezeigt, welcher mit einer Herstellungsvorrichtung gemäß der 3 oder 4 auf eine Unterlage 101, hier eine Bauplattform 6 aufbringbar ist.
Während in den 3 und 4 die Formungselemente parallel zueinander und zur Y-Achse geneigt werden, werden die Formungselemente zur Herstellung des Materialstrangs 2 in 6 dagegen in verschiedene Richtungen geneigt. Während des Auftragens einer ersten Schicht des Materialstrangs 2 auf die Bauplattform 6 in Z-Richtung, werden die Formungselemente bei dem Ausführungsbeispiel in 6 zunächst parallel und in Y-Richtung oder senkrecht zu der Unterlage 101 angeordnet. Anschließend werden die Bearbeitungseinrichtung und ihre Formungselemente in Y-Richtung zum Aufbringen der nächsten Schicht des Materialstrangs 2 in Y-Richtung nach oben bewegt und die Formungselemente jeweils nach außen geneigt. Die Formungselemente bilden dabei einen trichterförmigen Querschnitt. Dadurch kann die zweite Schicht des Materialstrangs 2 mit einem sich nach oben vergrößernden Querschnitt ausgebildet werden. Anschließend werden die Bearbeitungseinrichtung und ihre Formungselemente in Y-Richtung zum Aufbringen der nächsten Schicht des Materialstrangs 2 in Y-Richtung wieder nach oben bewegt und die Formungselemente diesmal jeweils nach innen geneigt. Dadurch kann die dritte Schicht des Materialstrangs 2 mit einem sich nach oben verjüngenden Querschnitt ausgebildet werden.
In 7 ist eine fünfte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Die fünfte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 7 unterscheidet sich dabei von der zweiten in 2 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass die Bearbeitungseinrichtung 4 zusätzlich eine seitliche Kapselungseinrichtung 9 aufweist. Die Kapselungseinrichtung 9 ist derart ausgebildet einen Seitenabschnitt und einen vorderen Abschnitt des Materialstrangs 2 derart zu umgeben, dass Material des Materialstrangs 2 nicht ungewollt zur Seite und nach vorne oder in Auftragsrichtung austreten kann.
Durch die zusätzliche Formung des Materialstrangs 2 nach dem Aufbringen wird Material verdrängt. Damit bei der Formung ein gewisser Druck aufgebaut werden kann, kann es erforderlich sein, ein Wegfließen des Materialstrangs 2 zu vermeiden. Dies wird durch die Kapselungseinrichtung 9 erreicht, welche ein seitliches und ein Wegfließen des Materialstrangs 2 nach vorne oder in Auftragsrichtung verhindert. Die Kapselungseinrichtung 9 kann dabei mit wenigstens einem Formungselement 3, der Düseneinrichtung 1 und/oder der Auftrageeinrichtung 5 verbunden und daran integriert sein.
In dem Ausführungsbeispiel in 7 ist eine Platte als Teil der Kapselungseinrichtung 9 auf jeder Seite des Materialstrangs 2 vorgesehen und beispielsweise mit dem jeweils seitlich des Materialstrangs 2 angeordneten Formungselement 3 und/oder der Düseneinrichtung 1 gekoppelt, um ein seitliches Austreten des Materialstrangs 2 zu verhindern. Auf diese Weise kann der Materialstrang 2 durch die Kapselungseinrichtung 9 seitlich gekapselt werden. Zusätzlich oder alternativ kann, wie in dem Ausführungsbeispiel in 7 die Düseneinrichtung 1 als Teil der Kapselungseinrichtung 9 ausgebildet sein, um ein ungewolltes Austreten des Materialstrangs nach vorne oder in Auftragsrichtung zu verhindern. Dabei ist die Düseneinrichtung 1 an der Vorderseite entsprechend verlängert, um eine Grenze für den Materialstrang 2 zu bilden, so dass dieser nicht ungewollt über die Vorderseite der Düseneinrichtung 1 hinausfließen kann. Die Auftrageeinrichtung 5 und deren Düseneinrichtung 1 sowie die Formungselemente 3 und die Kapselungseinrichtung 9 sind relativ zu der Unterlage 101, hier der Bauplattform 6, zusätzlich zumindest in Y-Richtung beweglich ausgebildet, um den Materialstrang 2 in mehreren Schichten auf die Bauplattform 6 übereinander aufbringen zu können.
Weiter ist in 8 eine sechste Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Die sechste Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 8 unterscheidet sich dabei von der fünften in 7 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass das seitliche Formungselement 3 auf der Höhe der Auftrageeinrichtung 5 und deren Düseneinrichtung 1 angeordnet ist. Auf diese Weise wird der Materialstrang 2 beim Auftragen durch das seitlich angeordnete Formungselement 3 zusätzlich geformt, z. B. geglättet und/oder komprimiert. Der Materialstrang 2 oder sein Material füllt dabei den Hohlraum auf, welcher aus der durch die darunterliegende bereits aufgebrachte Schicht des Materialstrangs 2 und die beiden seitlichen Formungselemente 3 gebildet wird.
Das auf der Oberseite des Materialstrangs 2 angeordnete Formungselement 3 ist nachgeschaltet oder hinter der Auftrageeinrichtung 5 und deren Düseneinrichtung 1 angeordnet und formt und/oder komprimiert dem entsprechend den Materialstrang 2 nachdem er aufgetragen wurde. Die Auftrageeinrichtung 5 und deren Düseneinrichtung 1, sowie die Formungselemente 3 sind ebenfalls wie in 7 relativ zu der Unterlage 101, hier der Bauplattform 6, zusätzlich zu der Z-Richtung zumindest in Y-Richtung beweglich ausgebildet, um den Materialstrang 2 in mehreren Schichten zumindest übereinander auf die Bauplattform 6 aufzubringen.
In 9 ist eine siebte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Die siebte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 9 unterscheidet sich dabei beispielsweise von der zweiten in 2 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass kein Formungselement auf der Oberseite des Materialstrangs 2 vorgesehen ist. Des Weiteren ist in 9 diese Düseneinrichtung 1 derart ausgebildet, dass der Materialstrang 2 nicht in Z-Richtung aufgetragen wird, sondern senkrecht dazu oder in Y-Richtung. Das Auftragen des Materialstrangs 2 in Y-Richtung erfolgt auch senkrecht zu der Auftragsrichtung des Materialstrangs 2 durch die Düseneinrichtung entlang der X-Achse. Auf diese Weise kann sehr einfach der Materialstrang 2 in der Höhe aufgetragen werden und so eine besonders hohe Schicht bilden. Des Weiteren kann der Austritt der Düseneinrichtung 1 für den Austritt des Materialstrangs 2 in 9 optional mit einer Begrenzung oder Abschirmung 8 auf der Oberseite versehen sein, welche ein ungewolltes Austreten des Materials nach oben verhindert.
Des Weiteren fungiert das seitlich angeordnete Formungselement 3 zusätzlich als Gegenhalter 13, um das seitliche Wegfließen des Materialstrangs 2 zu verhindern und eine seitliche Begrenzung für den Materialstrang 2 zu bilden. Das Formungselement 3 ist dabei beispielsweise auf der Höhe der Düseneinrichtung 1 angeordnet.
Des Weiteren ist in dem Ausführungsbeispiel in 9 das Formungselement 3 als drehbare Walze vorgesehen. Die Walze ist dabei mit ihrer Längsachse 102 in Y-Richtung angeordnet und um diese aktiv drehbar mittels eines nicht dargestellten Aktuators, beispielsweise eines Elektromotors, und/oder passiv drehbar ausgebildet. Für eine passive Drehung der Walze ist diese drehbar gelagert und wird durch Reibungskontakt mit dem Materialstrang 2 gedreht. Optional kann die Walze an ihrer Außenseite mit zusätzlichen Strukturierungselementen 103, z. B. in Form von Vorsprüngen, versehen sein, zum Strukturieren des Materialstrangs 2.
Durch eine entsprechende Gestaltung der Strukturierungselemente 103 der Formungselemente 3 bzw. durch Anbringen solcher Strukturierungselemente 103, z. B. in Form von Vorsprüngen, an dem Formungselement 3 können beispielsweise zusätzliche Vertiefungen in den Materialstrang 2 eingebracht werden, was insbesondere beim Leichtbau von Vorteil ist.
Sind die Strukturierungselemente 103 fest an dem Formungselement 3 angebracht und sollen beispielsweise zusätzliche Vertiefungen oder Taschen in die Materialstränge 2 eingebracht werden, so sollte das jeweilige Formungselement 3 vorzugsweise rotierend vorgesehen sein. Des Weiteren sollte die Geschwindigkeit auf der Mantelfläche des Formungselements 3 der Auftragsgeschwindigkeit entsprechen, mit welcher der Materialstrang 2 auf eine Unterlage 101 aufgetragen wird.
Beispiele für zusätzliche Strukturierungen des Materialstrangs 2 sind im Folgenden in den 10 bis 16 gezeigt.
In 10 ist ein Materialstrang 2 dargestellt, welcher, wie zuvor beschrieben, aus mit einem Bindermaterial versehenen Partikeln besteht und in mehreren Schichten 7 übereinander auf eine nicht dargestellte Unterlage, z. B. eine Bauplattform, aufgetragen wird. Dabei wird der Materialstrang 2 mittels eines Formungselements 3 geformt. Das Formungselement 3 ist in dem Ausführungsbeispiel in 10 als eine um ihre Längsachse rotierende Walze ausgebildet, welche z. B. auf der Oberseite des Materialstrangs 2 angeordnet ist und deren Längsachse beispielsweise in X-Richtung verläuft. Weiter ist die Walze auf ihrer Außenseite mit zusätzlichen Strukturierungselementen 103 ausgebildet. Die Strukturierungselemente 103 sind dabei beispielweise als halbkugelförmige Vorsprünge an dem Umfang der Walze angeordnet, um entsprechende halbkugelförmige Vertiefungen 10 in den Materialstrang 2 einzubringen.
Das Einbringen solcher Vertiefungen in den Materialstrang 2 erfolgt in dem Ausführungsbeispiel in 10 von oben oder in Austrittsrichtung oder Y-Richtung der nicht dargestellten Düseneinrichtung, wobei die Vertiefungen 10 mit der darauffolgenden nächsten Schicht des Materialstrangs 2 verschlossen werden. Die Vertiefungen 10 können dabei beispielsweise zu den Vertiefungen 10 in der darunterliegenden Schicht des Materialstrangs 2 versetzt angeordnet werden, so dass möglichst wenig Material in die darunter liegenden Vertiefungen 10 gedrückt wird. Ebenso können die Vertiefungen 10 zweier Schichten des Materialstrangs 2 statt versetzt auch fluchtend zueinander angeordnet sein, je nach Funktion und Einsatzzweck.
In den 11 und 12 ist ein weiterer zuvor beschriebener Materialstrang 2 dargestellt, welcher in mehreren Schichten übereinander auf eine nicht dargestellte Unterlage, z. B. eine Bauplattform, aufgetragen wird. Dabei wird der Materialstrang 2 mittels mehrerer Formungselemente 3 zusätzlich geformt. Ein Formungselement 3 ist in dem Ausführungsbeispiel in 11 dabei auf der Oberseite des Materialstrangs 2 angeordnet und ebenfalls als eine um ihre Längsachse rotierende Walze ausgebildet, wobei die Längsachse beispielsweise in X-Richtung verläuft. Weiter ist jeweils eine rotierende Walze als Formungselement 3 auf einer oder beiden Seiten des Materialstrangs 2 angeordnet, wie in der Schnittansicht A-A in 12 gezeigt ist, um den Materialstrang 2 nicht nur auf der Oberseite sondern auch seitlich mit entsprechenden Vertiefungen als Strukturierung zu versehen. Zur besseren Übersichtlichkeit sind die seitlichen Walzen in 11 und die Walze auf der Oberseite in 12 weggelassen.
Auf diese Weise kann der Materialstrang 2 mit einer zusätzlichen Wabenstruktur, z. B. Honigwabenstruktur, oder wabenähnlichen Struktur versehen werden, wie in 11 gezeigt ist. Eine solche Wabenstruktur ist besonders im Leichtbau von Vorteil. Die Strukturierungselemente 103, mit welchen die Walze auf der Oberseite und die beiden Walzen auf den gegenüberliegenden Seiten des Materialstrangs 2 versehen sind, weisen z. B. prismatische oder pyramidenförmige Vorsprünge auf.
Zur Erzeugung besonders leichter Strukturen kann es sinnvoll sein die zusätzliche Strukturierung von oben und wenigstens einer oder beider Seiten des Materialstrangs 2 vorzunehmen, wie zuvor in 11 und 12, gezeigt ist. Zur Realisierung einer hohen Materialeinsparung und somit eine enge Anordnung der wabenförmigen Vertiefungen ist eine Strukturierung der Oberseite des Materialstrangs 2 hilfreich. Hier sollte die nachfolgende Schicht möglichst exakt zur darunterliegenden Schicht des Materialstrangs 2 ausgerichtet werden. In den 11 und 12 ist die seitliche Strukturierung des Materialstrangs 2 symmetrisch. Die Vertiefungen sind auf den Seiten des Materialstrangs 2 einander gegenüberliegend vorgesehen.
In der Variante, wie sie in 13 gezeigt ist, sind die Vertiefungen 10 auf den Seiten des Materialstrangs 2 unsymmetrisch angeordnet. Die Vertiefungen 10 sind auf den gegenüberliegenden Seiten des Materialstrangs 2 zueinander versetzt angeordnet. Bei einer solchen unsymmetrischen Anordnung der Vertiefungen 10 ergibt sich eine größere Materialeinsparung.
Durch die rotierende Bewegung der zuvor beschriebenen Formungselemente 3 können keine tiefen Vertiefungen, z. B. zylindrische oder prismatische Vertiefungen, oder Taschen in dem Materialstrang 2 eingebracht werden. Abhilfe schaffen hier bewegliche oder verschiebliche Formungselemente 3, die beispielsweise Strukturierungselemente 103 aufweisen, die von oben oder in Y-Richtung und/oder von wenigstens einer Seite oder in X-Richtung beweglich oder verschieblich sind. Die Strukturierungselemente 103 können dabei mit zusätzlichen Formschrägen versehen werden. Beispiele für Formungselemente 3 und ihre Strukturierungselemente 103 zur Erzeugung von z. B. zylindrischen oder prismatischen Vertiefungen sind in nachfolgenden 14 bis 16 gezeigt.
In 14 ist eine achte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Für die Erzeugung einer z. B. zylindrischen oder prismatischen Vertiefung 10 ist das Formungselement 3, z. B. ein Schlitten, vorzugsweise mit einem oder mehreren Strukturierungselementen 103 versehen, die nach dem Aufbringen des Materialstrangs 2 in den Materialstrang 2 rein- und rausbewegbar sind, wobei der zurückgelegte Weg des Formungselements 3 während der Materialformung in Auftragsrichtung oder Y-Richtung oder alternativ in Seitenrichtung oder X-Richtung möglichst klein ist. Das Formungselement 3 in Form eines Schlittens bewegt sich dabei entlang der Oberseite des Materialstrangs 2 einmal auf und ab in Y-Richtung und des Weiteren in der Auftragsrichtung oder Z-Richtung der Auftrageeinrichtung 5 und deren Düseneinrichtung 1 mit.
Die achte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 14 unterscheidet sich beispielsweise von der zweiten in 2 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass als Formungselemente 3 auf der Oberseite des Materialstrangs 2 der Schlitten mit zwei Strukturierungselementen 103 versehen ist, welche in Y-Richtung in und aus dem Materialstrang 2 herausbewegbar sind, um den Materialstrang 2 zusätzlich zu strukturieren. Dazu werden durch das Ein- und Ausfahren der Strukturierungselemente 103 in den Materialstrang 2 Vertiefungen 10 in die Oberseite des Materialstrangs 2 eingebracht. Der Schlitten als Formungselement 3 bewegt sich dabei mit der Düseneinrichtung 1 mit, während die Strukturierungselemente 103 in den Materialstrang 2 ein- und ausgefahren werden, um diesen mit den Vertiefungen 10 zu versehen. Durch das Ein- und Ausfahren der Strukturierungselemente 103 in den Materialstrang 2 können auch z. B. zylindrische Vertiefungen oder Vertiefungen mit jedem anderen konstanten Querschnitt problemlos in dem Materialstrang 2 ausgebildet werden.
Des Weiteren weist in 14 die Düseneinrichtung 1 auf ihrer Vorderseite einen Gegenhalter 13 auf, der verhindert, dass der Materialstrang 2 nach vorne oder in Auftragsrichtung (Z-Richtung) aus der Düseneinrichtung 1 ungewollt wegfließen kann.
Auf diese Weise kann eine Schicht eines Materialstrangs 2 mit Vertiefungen 10, z. B. zylindrischen und/oder prismatischen Vertiefungen versehen werden, wobei Vertiefungen 10 der Schicht mit der nächsten Schicht des Materialstrangs 2 verschlossen werden können. Die Vertiefungen 10 der Schichten können, wie in 14 gezeigt, beispielsweise versetzt zueinander angeordnet sein.
Statt auf der Oberseite kann der Schlitten als Formungselement 3 auch auf der Vorderseite des Materialstrangs 2 vorgesehen werden, ähnlich wie in nachfolgender 15, wobei die beiden Formungselemente 3 dabei in die Vorderseite des Materialstrangs 2 ein- und ausfahrbar sind, um diesen zu strukturieren. Auch kann wenigstens ein Schlitten zusätzlich oder alternativ als Formungselement 3 mit wenigstens einem Strukturierungselement auf wenigstens einer Seite des Materialstrangs 2 vorgesehen sein und sein Strukturierungselement 103 von der Seite in den Materialstrang 2 ein- und ausfahren, um diesen zusätzlich zu strukturieren.
In 15 ist eine neunte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Die neunte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 15 unterscheidet sich beispielsweise von der achten in 14 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass zwei Strukturierungselemente 103 an einer Frontplatte 104 als Formungselement 3 vorgesehen sind, die sich in Auftragsrichtung oder Z-Richtung vor dem aufgebrachten Materialstrang 2 befindet. Die Frontplatte 104 kann z. B. an oder vor der Düseneinrichtung 1 vorgesehen sein. Des Weiteren sind die Strukturierungselemente 103 an der Frontplatte 104 in die Außen- oder Vorderseite des Materialstrangs 2 ein- und ausfahrbar, wie in 14 gezeigt ist. Die Frontplatte 104 kann hierbei optional zusätzlich als Gegenhalter 13 dienen, welcher ein Herausfließen des Materialstrangs 2 in Auftragsrichtung oder Z-Richtung an der Düseneinrichtung 1 vorbei verhindert.
Beispielsweise bewegen sich die Strukturierungselemente 103 mit einer Geschwindigkeit in Bezug zu dem Formungselement 3, hier der Frontplatte 104, die z. B. der Geschwindigkeit der Auftrageeinrichtung 5 entspricht und dieser entgegengesetzt ist. In Bezug auf den aufgetragenen Materialstrang 2 bleiben somit die Strukturierungselemente 103 stehen. Nur wenn eine Zwischenwand erzeugt werden soll, werden die Strukturierungselemente 103 zurückgezogen und bleiben in der Frontplatte 104 so lange, bis die gewünschte Stärke der Zwischenwand erzeugt ist. Anschließend fahren die Strukturierungselemente 103 wieder mit der oben beschriebenen Bewegung aus der Frontplatte 104 heraus in den Materialstrang 2. Bleiben die Strukturierungselemente 103 fest ausgefahren, so können Hohlräume in der jeweiligen Schicht des Materialstrangs 2 erzeugt werden.
Es können so mehrere Schichte des Materialstrangs 2 mit abgeschlossenen Kammern übereinander gebildet werden, wie in 15 gezeigt ist, was insbesondere im Leichtbau von Vorteil ist. Ebenso kann der Materialstrang nicht nur in Schichten übereinander sondern zusätzlich oder alternativ auch in Schichten oder Lagen nebeneinander angeordnet werden zum Ausbilden eines flächigen Bauteils.
In 16 ist eine zehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt. Der Materialstrang 2 in 16 ist dabei von oben gezeigt.
Die zehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 16 unterscheidet sich beispielsweise von der neunten in 15 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass ein Formungselement 3 an wenigstens einer Seite des Materialstrangs 2 vorgesehen ist, wobei das Formungselement 3 aus zwei zueinander versetzten rotierenden Teilen, hier Scheiben 14, besteht. Dabei sind Strukturierungselemente 103 vorgesehen, die z. B. über zwei Achsen 16 und eine feststehendes Element 15 mit den beiden Scheiben 14 derart gekoppelt sind, dass sie in und aus dem Materialstrang 2 herausbeweglich sind.
Bei dem in 16 gezeigten Ausführungsbeispiel bewegt und insbesondere rotiert das Formungselement 3 während seine Strukturierungselemente 103 ihre Ausrichtung beibehalten. Das wird in 16 dadurch erreicht, dass die Strukturierungselemente 103, wie zuvor beschrieben, über z. B. zwei Achsen 16 an den verschiedenen Scheiben 14 befestigt sind, wobei die beiden Scheiben 14 zueinander versetzt angeordnet sind. Die beiden Scheiben 14 sind beispielsweise in einem festen Abstand zueinander drehbar gelagert. Beispielsweise werden beide Scheiben 14 über einen nicht dargestellten Aktuator, z. B. Motor, synchron bewegt, so dass durch die Bewegung des Formungselements 3 mit der Auftrageeinrichtung 5 die Strukturierungselemente 103 zumindest an einer Position keine Bewegung in Auftragsrichtung in Bezug zu dem Materialstrang 2 ausführen. Durch diese Aufhängung der Formungselemente 3 werden diese in den Materialstrang 2 gedrückt und auch wieder aus diesem herausgezogen, ohne dass die Strukturierungselemente 3 ihre Richtung ändern. Dadurch können Vertiefungen mit einem beliebigen konstanten Querschnitt erzielt werden, beispielsweise zylindrische Vertiefungen usw..
In einer weiteren Variante können statt Scheiben 14 auch nicht dargestellte längliche Formungselemente verwendet werden.
In noch einer weiteren Variante kann ein nicht dargestelltes Förderband verwendet werden, aus welchem die Strukturierungselemente in den Materialstrang ein- und ausfahren können.
In 17 ist eine elfte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Die elfte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 17 unterscheidet sich dabei beispielsweise von der siebten in 9 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass statt des in 9 seitlich angeordnete Formungselements ein eigener seitlich angeordneter Gegenhalter 13 vorgesehen ist, um das seitliche Wegfließen des Materialstrangs 2 zu verhindern und eine seitliche Begrenzung für den Materialstrang 2 zu bilden. Zusätzliche Formungselemente beispielsweise zum Glätten oder zum Strukturieren des Materialstrangs 2 sind in 17 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Düseneinrichtung 1 der Auftrageeinrichtung 5 ist in 17 derart ausgebildet, dass sie den Materialstrang 2 seitlich oder in X-Richtung auf eine Unterlage 101 aufträgt. Der Gegenhalter 13 auf der gegenüberliegenden Seite der Düseneinrichtung 1 verhindert dabei, wie zuvor beschrieben, ein seitliches oder in X-Richtung erfolgendes Wegfließen des Materialstrangs 2.
Des Weiteren ist in 18 eine zwölfte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Die zwölfte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 18 unterscheidet sich dabei beispielsweise von der siebten in 9 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass das Auftragen des Materialstrangs 2 von zwei Seiten in X-Richtung erfolgt, statt nur von einer Seite wie in 9. Formungselemente zum zusätzlichen Formen des Materialstrangs 2 sind in 18 ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Auftrageeinrichtung 5 und ihre Düseneinrichtung 1 tragen den Materialstrang seitlich oder in X-Richtung auf und sind des Weiteren wenigstens in Y-Richtung oder senkrecht zu der Unterlage 101 bewegbar. Auf diese Weise kann sehr einfach der Materialstrang 2 in der Höhe aufgetragen werden und so eine besonders hohe Schicht erzielt werden, wie in 18 gezeigt ist. Zusätzlich kann die Auftrageeinrichtung 5 und deren Düseneinrichtung 1 auch in Z-Richtung und/oder X-Richtung verfahrbar ausgebildet sein.
In 19 ist eine dreizehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Die dreizehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 19 unterscheidet sich dabei beispielsweise von der siebten in 9 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass die Düseneinrichtung 1 der Auftrageeinrichtung 5 vor dem Materialstrang 2 angeordnet ist und das Material des Materialstrangs 2 gegen die Auftragsrichtung oder Z-Richtung ausgegeben werden kann. Hierbei ist kein Formungselement als Gegenhalter wie in 9 notwendig. Zumindest die Düseneinrichtung 1 ist zusätzlich wenigstens in Y-Richtung oder senkrecht zu der Unterlage 101, z. B. Bauplattform 6, beweglich, so dass der Materialstrang 2 in mehreren Schichten übereinander angeordnet werden kann. Des Weiteren kann die Düseneinrichtung 1 zumindest zusätzlich oder alternativ in X-Richtung verfahrbar ausgebildet sein zum Auftragen von mehreren Schichten nebeneinander.
Zusätzlich kann auch ein Verkippen oder Neigen der Düseneinrichtung 1 in den Ausführungsformen in 17, 18 und 19 z. B. zu der Y-Achse oder Senkrechten vorgesehen sein, wie zuvor beispielhaft mit Bezug auf die 3 bis 6 beschrieben wurde.
Falls die Schichten des Materialstrangs 2 sich bei der Erzeugung der Schichten kreuzen, sind die Düseneinrichtung 1 und/oder der nicht dargestellte Gegenhalter auf der Vorderseite der Düseneinrichtung 1 entfernbar, indem der Gegenhalter beispielsweise nach oben wegfährt, wie durch Doppelpfeile in den 17 bis 19 angedeutet ist.
In 20 ist eine vierzehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Die vierzehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 20 unterscheidet sich dabei beispielsweise von der zweiten in 2 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass ein Formungselement 3 in Form eines Kerns 18 in der Düseneinrichtung 1 vorgesehen ist zur Erzeugung eines Hohlraums 105 in dem Materialstrang 2. Der Materialstrang 2 und der darin angeordnete Kern 18 sind in 20 zum besseren Verständnis in einer geschnittenen Darstellung gezeigt. Die dahinter bzw. davor liegenden Schichten des Materialstrangs 2, welche nicht dargestellt sind, stützen das Material des Materialstrangs 2 oberhalb des Hohlraums 105 ab.
Weiter ist in 21 eine fünfzehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt. In dem Materialstrang 2, welcher wie zuvor beschrieben aus mit Bindermaterial versehenen Partikeln besteht, werde dabei Hohlräume erzeugt.
Die fünfzehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 21 unterscheidet sich dabei beispielsweise von der vierzehnten in 20 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass der Kern 18 als Formungselement 3 der Düseneinrichtung 1 pulsierend oder abwechselnd in den Materialstrang 2 ein – und ausgefahren wird zur Erzeugung von aufeinanderfolgenden Hohlräumen 105 in dem Materialstrang 2, welche durch Zwischenwände voneinander abgetrennt sind.
In einer Alternative kann über eine nicht dargestellte Lanze oder ein Rohr in dem Kern 18 ein zusätzliches Füllmaterial in den jeweiligen Hohlraum 105 eingebracht werden. Das Füllmaterial kann dabei z. B. fest, flüssig, gasförmig, pastös oder pulverförmig usw. sein. Beispielsweise kann als Gas Luft in den Hohlraum 105 oder die Hohlkammer gefüllt werden oder als pulverförmiges Material z. B. Sand usw., je nach Funktion und Einsatzzweck. Als festes Material können beispielsweise Fasern in die Hohlräume 105 eingeführt werden usw., je nach Funktion und Einsatzzweck.
In 22 ist eine sechzehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Die sechzehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 22 unterscheidet sich dabei beispielsweise von der in 19 dargestellten dreizehnten Ausführungsform dadurch, dass zwei Kerne 18 als Formungselemente 3 in der Düseneinrichtung 1 angeordnet und in Auftragsrichtung oder Z-Richtung abwechselnd oder pulsierend in den Materialstrang 2 ein – und ausfahrbar sind, um diesen mit Hohlräumen 105 zu versehen, welche durch Zwischenwände 106 voneinander getrennt sind. Über eine nicht dargestellte Lanze oder Rohr kann zusätzliches Füllmaterial in den jeweiligen Hohlraum 105 eingebracht werden. Das Füllmaterial kann dabei, wie zuvor beschrieben, fest, flüssig, gasförmig, pastös oder pulverförmig usw. sein. Die Düseneinrichtung 1 kann dabei zusätzlich, wie in 22 gezeigt ist, mit den Formungselementen 3 in Y-Richtung oder senkrecht zu der Unterlage 101 bewegbar sein, zum Auftragen höherer Schichten 7 des Materialstrangs 2 zumindest übereinander. Die Düseneinrichtung 1 in 22 weist des Weiteren optional einen zusätzlichen Gegenhalter 13 auf, der ein nach vorne oder in Z-Richtung Wegfließen des Materialstrangs 2 verhindert. Der Gegenhalter 13 kann dabei optional zusätzlich in Y-Richtung auf und ab beweglich vorgesehen sein, wie mit einem Doppelpfeil in 22 angedeutet ist.
In 23 ist eine siebzehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Die siebzehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 23 unterscheidet sich dabei beispielsweise von der in 20 dargestellten vierzehnten Ausführungsform dadurch, dass die Düseneinrichtung 1 z. B. zwei Kerne 18 mit Zuführungseinrichtungen 19, z. B. Zuführungsleitungen, im Inneren aufweist, zum Erzeugen eines jeweiligen, insbesondere fortlaufenden, Hohlraums 105 in dem Materialstrang 2 und zum Füllen des Hohlraums 105 mit dem zusätzlichen Füllmaterial 20. Dabei wird als zusätzliches Füllmaterial 20 beispielsweise festes Material wie Fasern, z. B. Endlosfasern, Kurzfasern und/oder Langfasern, Rovings usw., flüssiges, gasförmiges, pastöses und/oder pulverförmiges Material in den jeweiligen Hohlraum 105 durch die Zuführungseinrichtung 19 des Kerns 18 zugeführt. Dadurch kann beispielsweise die Festigkeit des Materialstrangs 2 erhöht und das Gewicht reduziert werden, da der Materialstrang 2 nicht als massives Teil sondern als Materialstrang 2 mit wenigstens einem zumindest teilweise mit einem Füllmaterial gefüllten Hohlraum 105 ausgebildet werden kann.
In dem in 23 gezeigten Ausführungsbeispiel werden beispielsweise Endlosfasern als Füllmaterial 20 von einer mit der jeweiligen Zuführungseinrichtung 19 verbundenen Speichereinrichtung 21 in den Hohlraum 105 des Materialstrangs 2 eingeführt, um diesen zumindest teilweise oder vollständig zu füllen, je nach Funktion und Einsatzzweck.
Die Düseneinrichtung 1 ist dabei mit ihren Kernen 18, deren Zuführungseinrichtungen 19, und ggf. den Speichereinrichtungen 21 zusätzlich zumindest in Y-Richtung oder senkrecht zu der Unterlage 101, insbesondere Bauplattform 6, verschieblich ausgebildet, so dass der zumindest teilweise zusätzlich gefüllte Materialstrang 2 in mehreren Schichten übereinander angeordnet werden kann.
In 24 ist eine achtzehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Die achtzehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 24 unterscheidet sich dabei beispielsweise von der in 23 dargestellten siebzehnten Ausführungsform dadurch, dass die Zuführungseinrichtungen 19 in der Wandung der Düseneinrichtung 1 vorgesehen sind. Über Speichereinrichtungen 21 wird das zusätzliche Füllmaterial 20 der Ausgabeeinrichtung 5 und deren Düseneinrichtung 1 zugeführt und in den Materialstrang 2 eingearbeitet. Das Füllmaterial 20 wie z. B. Fasern usw. wird in den Materialstrang 2 eingedrückt und von diesem mitgenommen.
Weiter ist in 25 eine neunzehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang 2 gemäß der Erfindung gezeigt.
Die neunzehnte Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 gemäß 25 unterscheidet sich dabei beispielsweise von der in 24 dargestellten achtzehnten Ausführungsform dadurch, dass die Zuführungseinrichtungen 19 in einem an die Düseneinrichtung 1 angeschlossenen Zusatzelement 22 angeordnet sind. Das Zusatzelement 22 weist dabei eine Öffnung zum Aufnehmen und Hindurchführen des Materialstrangs 2 der Düseneinrichtung 1 auf. Des Weiteren sind seitlich in dem Zusatzelement 22, wie zuvor bei der Düseneinrichtung in 24, die beiden Zuführungseinrichtungen 19 zum Zuführen beispielsweise von Endlosfasern als Füllmaterial 20 vorgesehen. Die Zuführungseinrichtungen 19 sind dabei an entsprechende Speichereinrichtungen 21 angeschlossen, in welchen die Endlosfasern gespeichert sind und den Zuführungseinrichtungen 19 zugeführt werden. Durch die Zuführungseinrichtungen 19 werden die Fasern in den Materialstrang 2 eingearbeitet. Das Füllmaterial 20 bzw. die Fasern werden in den Materialstrang 2 eingedrückt und von diesem mitgenommen.
Die gesamte Auftrageeinrichtung 5 und/oder die Düseneinrichtung 1 können drehbar ausgebildet sein, so dass die Ausrichtung der anisotropen Eigenschaften des Materialstrangs 2, wie z. B. die Breite des Materialstrangs 2, das Material des Materialstrangs 2, in Bezug auf die Auftragsrichtung erhalten bleiben können, auch wenn sich die Auftragsrichtung ändert, wie in 26 gezeigt ist. In 26 verläuft der Materialstrang 2 nicht geradlinig sondern beschreibt beispielsweise einen Kurvenverlauf.
Die Auftrageeinrichtung 5 mit ihrer Düseneinrichtung kann endlos drehbar oder um einen gewissen Winkel, von z. B. 90° wie in 26 gezeigt ist drehbar sein. Grundsätzlich kann die Auftrageeinrichtung 5 um einen Winkel beispielsweise in einem Bereich von größer 0° bis zu 360° oder bis zu 720° und größer drehbar sein. Des Weiteren kann die Auftrageeinrichtung 5 mit ihrer Düseneinrichtung beispielsweise nach dem Auftragen einer kompletten Schicht des Materialstrangs 2 oder auch während des Auftragens einer Schicht des Materialstrangs 2 in eine vorzugsweise vorbestimmte Winkelposition zurückgedreht werden.
Die für die jeweilige Schicht des Materialstrangs 2 aufzutragende Materialmenge ist an den jeweiligen Querschnitt der Schicht des Materialstrangs 2 angepasst und kann durch Sensoren ggf. überprüft werden. Sind breite oder schmälere Schichten des Materialstrangs 2 zu realisieren, so kann dies alternativ auch über den Vorschub in Auftrags- oder Zuführrichtung bzw. Z-Richtung und/oder in der Höhe bzw. Y-Richtung geschehen und dadurch entsprechend dünnere oder dickere Schichten des Materialstrangs 2 erzeugt werden.
Bei allen Ausführungsformen kann wenigstens die Düseneinrichtung 1, die Auftrageeinrichtung 5, ein Kern 18, eine Zuführungseinrichtung 19, eine Speichereinrichtung 21, ein Strukturierungselement 103, ein Gegenhalter 13, ein Zusatzelement 22 und/oder ein Formungselement 3 sowie alle anderen Systemkomponenten temperierbar vorgesehen sein und erwärmt und/oder gekühlt werden, je nach Funktion und Einsatzzweck. Insbesondere können wenigstens die Auftrageeinrichtung 5, der Kern 18, die Zuführungseinrichtung 19, die Speichereinrichtung 21, das Strukturierungselement 103, der Gegenhalter 13, das Zusatzelement 22 und/oder das Formungselement 3 unabhängig voneinander geheizt und/oder gekühlt werden, je nach Funktion und Einsatzzweck. Beispielsweise kann die Düseneinrichtung 1 geheizt und wenigstens ein Strukturierungselement 103 und/oder Formungselement 3 gekühlt werden. Die Temperierung oder das Heizen und/oder Kühlen kann abhängig von der Zeit variieren, so dass beispielsweise zuerst geheizt und anschließend gekühlt wird oder umgekehrt.
Durch das Temperieren zumindest von Teilen der Herstellungsvorrichtung 100 kann die Herstellung eines Bauteils aus dem zuvor beschriebenen Material, welches aus mit Bindermaterial versehenen Partikeln besteht, verbessert und beschleunigt werden. Des Weiteren können die Eigenschaften des Materialstrangs 2 durch das Temperieren zumindest von einem Teil der Herstellungsvorrichtung 100 gezielt beeinflusst werden.
Mittels der Herstellungsvorrichtung 100 und dem Herstellungsverfahren ist es möglich den Materialstrang 2 zusätzlich zu formen und/oder wenigstens ein zusätzliches Material oder Füllmaterial 20 in den Materialstrang 2 einzubringen und dadurch die Eigenschaften des aufgetragenen Materialstrangs 2 zu verändern und beispielsweise an bestimmte Bedürfnisse gezielt anzupassen.
Mehrere unterschiedliche Ziele können damit angestrebt werden wie beispielsweise die Generierung sehr hoher Schichten von Materialsträngen für die schnelle Erzeugung großer Bauteile. Dabei kann z. B. wenigstens ein zusätzliches Formungselement 3 eingesetzt werden, dass beispielsweise eine möglichst glatte und möglichst stufenfreie Außenfläche erzeugt und ansonsten sichtbare Stufen nicht mehr erkennbar sind. Des Weiteren kann die Herstellung möglichst leichter Strukturen durch das Einbringen von Hohlräumen 105 und/oder Vertiefungen 10 in den Materialstrang 2 erzielt werden. Außerdem kann der Materialstrang 2 durch das Einbringen von wenigstens einem Zusatzmaterial oder Füllmaterial 20, wie Fasern usw., beispielsweise zusätzlich verstärkt werden.
In den Ausführungsformen der Erfindung können die Strukturierungselemente 103 und/oder Formungselemente 3 zusätzlich konditioniert werden, wie zuvor beschrieben durch Wärmen und/oder Kühlen derselben. Dadurch kann eine bessere „Formfüllung”, eine schnellere Aushärtung, sowie geringere Anhaftung an den Formungselementen usw. erzielt werden.
Damit das Material des Materialstrangs 2 nicht an den Formungselementen 3 und/oder den Strukturierungselementen 103 ungewollt anhaftet, können die Formungselemente 3 und/oder die Strukturierungselemente 103 mit einer Antihaftbeschichtung versehen sein, beispielsweise Teflon^® usw..
Zusätzlich oder alternativ können auch Formtrennmittel, Pulver und/oder Flüssigkeiten mit auf die Formungselemente 3 und/oder die Strukturierungselemente 103 aufgebracht werden.
Ebenso kann in weiteren Alternativen ein Luftstrom oder ein Gasstrom verwendet werden zur schnelleren Abkühlung und/oder Formung zumindest eines Teils der Herstellungsvorrichtung 100 und/oder zumindest eines Teils des Materialstrangs 2. Zur Formung können beispielsweise mittels einer Düse als Formungselement ein Luftstrahl oder Flüssigkeitsstrahl der Düse gezielt eingesetzt werden, um beispielsweise Vertiefungen, insbesondere punktuelle Vertiefungen usw., in den Materialstrang 2 einzubringen oder einzuformen.
Die Ablösung des Materials von z. B. dem Formungselement, die Strukturierung und/oder die Formung des Materialstrangs 2 kann durch Vibration beispielsweise des Formungselements 3, des Strukturierungselements 103 und/oder des Kerns 18 usw. unterstützt werden.
Das Formungselement und insbesondere das Strukturierungselement 103 kann wahlweise zusätzlich mit einer Mikrostrukturierung oder Nanostrukturierung zur Erzielung eines sog. Lotuseffekts oder mit einer Antihaftbeschichtung, z. B. einer Teflon^® Beschichtung, versehen sein.
Für die Erzeugung von Strukturen, bei denen eine Ausrichtung zur darunter liegenden Schicht erforderlich ist, kann die Ausrichtung mittels einer nicht dargestellten Sensoreinrichtung erfolgen, welche beispielsweise wenigstens einen Abstandssensor usw. aufweist. Der Abstandssensor kann dabei den Abstand taktil und/oder berührungslos messen. Zusätzlich oder alternativ kann die Ausrichtung über einen entsprechenden Programmablauf gesteuert werden, der den Lage- oder Schichtaufbau und auch z. B. die Formungselemente 3 und/oder Strukturierungselemente 103 steuert. Die Formungselemente 3 können mit der vorhergehenden Schicht in Kontakt sein, so dass eine saubere, ebene, stufenfreie Oberfläche entsteht, wie beispielsweise zuvor in 1 gezeigt ist.
Unter anderem kann es erforderlich sein, wenigstens eines der folgenden Sachen zu detektieren:

– Detektieren der Position der bereits eingebrachten Struktur,
– Detektieren der Bereite und der Position der darunterliegenden Schicht zum z. B. stufenlosen Aufbringen der neuen Schicht,
– Detektieren der Höhe und/oder des Füllgrads der darunterliegenden Bahn oder Schicht zur Überwachung und ggf. Nachregelung und/oder Nachsteuern der Bauhöhe. Dabei kann beispielsweise die Höhe durch eine Regelung und/oder Steuerung der zufließenden Materialmenge geregelt und/oder gesteuert werden. Bei dem Füllgrad kann bestimmt werden, ob die darunterliegende Schicht vollgefüllt ist. Das bedeutet es wird bestimmt ob an den Stellen an denen Material gewünscht ist auch Material vorhanden ist.
– Detektieren der darunterliegenden Schicht und/oder detektieren der Schicht die gerade aufgebracht wird.

Wie zuvor beschrieben, kann die Sensoreinrichtung beispielsweise wenigstens einen Abstandssensor aufweisen, sowie wenigstens eine Kamera für eine Bilderkennung, wenigstens einen taktilen Sensor und/oder wenigstens einen berührungslosen Sensor usw..
Der Materialstrang 2, welcher beispielsweise mittels der zuvor anhand der 1–26 beschriebenen Herstellungsvorrichtungen 100 zur Herstellung eines Bauteils verwendet wird, ist, wie zuvor ausgeführt, ein Materialstrang 2 welcher aus einem Material mit Partikeln, insbesondere festen Partikeln, die mittels eines Bindermaterials aneinander haften besteht. In einem Ausführungsbeispiel kann der Materialstrang zusätzlich mit wenigstens einem Füllmaterial gefüllt werden.
Als Bindermaterialien werden beispielsweise Thermoplaste, Klebstoffe, insbesondere Schmelzklebstoffe und Reaktionsklebstoffe, darunter 1K- und 2K-Klebstoff, UV-härtende Klebstoffe, anaerob aushärtende Klebstoffe, anionisch aushärtende Klebstoffe, Lösungsmittelklebstoffe, Dispersionsklebstoffe und/oder Harzsystem eingesetzt. Die Aufzählung ist dabei lediglich beispielhaft und nicht abschließend.
Es können gleichzeitig oder zeitversetzt gleiche oder verschiedene Arten von Partikeln zur Herstellung des Materials für den Materialstrang verarbeitet werden. Die Partikel können sich dabei hinsichtlich ihres Materials, ihrer Größe und/oder der Partikelform unterscheiden. Bezüglich verschiedener Partikelformen können beispielsweise bei Fasern Lang- oder Kurzfasern oder bei Holz Holzspäne, Pellets oder Holzmehl vorgesehen werden usw..
Als Partikel können beispielsweise Holz, z. B. Holzspäne, Partikel aus Glasfasern, Kohlfasern, Harz, Styropor, Metall, Kunststoff, Keramik, einem mineralischen Werkstoff wie z. B. Sand, Papier, Pappe usw. verwendet werden. Die Aufzählung ist dabei lediglich beispielhaft und nicht abschließend. Materialien wie Holz, Papier und Pappe haben hierbei zusätzlich den Vorteil, dass es sich um nachwachsende Rohstoffe handelt.
In 27 ist eine zwanzigste Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung 100 gezeigt, welche vergleichbar der zuvor in 1 gezeigten ersten Ausführungsform einer Herstellungsvorrichtung 100 ist, wobei die zwanzigste Ausführungsform keine zusätzliche Bearbeitungseinrichtung mit z. B. wenigstens einem Formungselement aufweist. Solche zusätzliche Bearbeitungseinrichtungen mit z. B. wenigstens einem Formungselement, wie beispielhaft zuvor z. B. in den 1–4, 7–12, 14–16 und 22–25 gezeigt sind, können jedoch bei der Herstellungsvorrichtung 100 in 27 vorgesehen werden, je nach Funktion und Einsatzzweck.
Die Herstellungsvorrichtung 100 in dem Ausführungsbeispiel in 27 weist ebenfalls wie die zuvor mit Bezug auf die 1–26 beschriebenen Ausführungsformen eine Auftrageeinrichtung 5 mit einer Düseneinrichtung 1 auf. Ein Beispiel einer Auftrageeinrichtung 5 wie sie in den 1–26 einsetzbar ist, ist dabei in 27 in größerem Detail dargestellt.
Die Auftrageeinrichtung 5 weist, wie in dem Ausführungsbeispiel in 27 gezeigt ist, wenigstens eine Partikelzuführungseinrichtung 107 zum Zuführen von Partikeln 108 zum Herstellen des Materials des Materialstrangs auf. Die Partikel 108 rieseln dabei durch einen Spalt 12, z. B. einen länglichen Spalt, der Partikelzuführungseinrichtung 107 aufgrund der Schwerkraft als Vorhang nach unten zu einer Bindermaterialeinrichtung 109. Die Bindermaterialeinrichtung 109 ist mit der Partikelzuführungseinrichtung 107 derart gekoppelt, dass sie die Partikel 108 der Partikelzuführungseinrichtung 107 mit dem Bindermaterial 110, z. B. einem Thermoplast oder Klebstoff usw., versieht. Die Bindermaterialeinrichtung 109 in dem Ausführungsbeispiel in 27 bringt das Bindermaterial 110 direkt vor dem lagenweisen oder schichtweisen Auftragen des Materialstrangs 2 auf die Partikel 108 auf. Dabei wird das Bindermaterial 110 beispielsweise in flüssiger Form auf die Partikel 108 aufgebracht, z. B. durch Besprühen der Partikel 108 mit dem Bindermaterial 110 in der Bindermaterialeinrichtung 109. Anschließend härtet das auf die Partikel 108 aufgebrachte Bindermaterial 110 nach dem Auftragen des Materialstrangs 2 aus.
An die Partikelzuführungseinrichtung 107 und die Bindermaterialeinrichtung 109 zur Herstellung des Materials für den Materialstrang ist anschließend z. B. eine Kompaktierungs- und Fördereinrichtung 111 vorgesehen, in welcher die mit dem Bindermaterial 110 versehenen Partikel 108 zusätzlich kompaktiert und der Düseneinrichtung 1 zugeführt werden. Die Düseneinrichtung 1 bringt die kompaktierten, mit dem Bindermaterial 110 versehenen Partikel 108, als Materialstrang 2 auf eine Unterlage 101, z. B. eine Bauplattform 6, in einer oder vorzugsweise mehreren Schichten auf zur Ausbildung eines dreidimensionalen Bauteils. Die Kompaktierungs- und Fördereinrichtung 111 in dem Ausführungsbeispiel in 27 weist z. B. mehrere rotierende Walzen 112 auf zum Kompaktieren der mit dem Bindermaterial 110 versehenen Partikel 108. Ebenso kann ein Schneckenextruder oder ein Doppelschneckenextruder usw. zum Kompaktieren der mit dem Bindematerial 110 versehenen Partikel 108 vorgesehen werden.
Zwischen der Unterlage 101 und der Düseneinrichtung 1 kann, wie zuvor in den 1–26, eine zusätzliche in 27 nicht dargestellte Bearbeitungseinrichtung dazwischen geschaltet werden. Diese Bearbeitungseinrichtung dient zum Formen des Materialstrangs 2 und/oder zum Einbringen wenigstens eines zusätzlichen Materials in den Materialstrang 2, beispielsweise bevor dieser auf die Unterlage 101, z. B. die Bauplattform 6, aufgetragen wird.
Statt das Bindermaterial 110 wie in dem Ausführungsbeispiel in 27 auf die Partikel 108 aufzubringen, kann das Bindermaterial 110 auch in einem vorgelagerten, nicht dargestellten, Prozess auf die Partikel 108 aufgebracht werden, was in einem größeren zeitlichen Abstand zum lagen- oder schichtweisen Auftragen des Materialstrangs 2 stattfinden kann.
Das Bindermaterial 110 verfestigt sich danach und wird kurz vor oder bei dem lagen- oder schichtweisen Aufbringen wieder in einen flüssigen oder pastösen Zustand überführt. Dies kann erreicht werden durch das Einbringen von Energie, beispielsweise bei Schmelzklebern, durch Infrarot (IR) Strahlung, durch Laserstrahlung, durch mechanische Energie, wie beispielsweise Ultraschall usw.. Die Aufzählung ist dabei lediglich beispielhaft und nicht abschließend.
Zusätzlich oder alternativ zum Einbringen von Energie kann das Bindermaterial 110 auch flüssig oder pastös bleiben und beim oder nach dem lagen- oder schichtweisen Aufbringen aktiviert werden, beispielsweise durch Wärme, UV-Strahlung usw.. Die Aufzählung ist dabei ebenfalls lediglich beispielhaft und nicht abschließend.
Des Weiteren kann zusätzlich oder alternativ zu den zuvor genannten Möglichkeiten die Verfestigung des Bindermaterials 110 auch verzögert werden, beispielsweise durch eine entsprechende Temperaturführung, wie das Tiefkühlen bei der Verwendung von Harzsystemen, wie Epoxidharzen. Epoxidharze können beispielsweise bei Raumtemperatur nach dem lagen- oder schichtweisen Aufbringen aushärten.
Statt nur einer Bindermaterialeinrichtung 109, wie in dem Ausführungsbeispiel in 27 gezeigt ist, können erfindungsgemäß auch mehrere Bindermaterialeinrichtungen 109 vorgesehen werden zum Versehen der Partikel mit dem Bindermaterial. Statt einem rechteckigen länglichen Querschnitt eines Partikelstrahls oder einem Partikelvorhang, können beispielsweise bei einem kreisrunden Querschnitt eines Partikelstrahls mehrere Bindermaterialeinrichtungen 109 um den Partikelstrahl herum vorgesehen werden. Alternativ kann die Bindermaterialeinrichtung auch derart ausgebildet sein, dass sie das Bindermaterial von wenigstens zwei Seiten auf den Partikelstrahl oder den Partikelvorhang aufbringen kann. Bei einem Partikelvorhang, welcher eher länglich ist, kann auch mit z. B. zwei Bindermaterialeinrichtungen gearbeitet werden, welche beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten des Partikelvorhangs angeordnet sind.
Zusätzlich oder alternativ können mehrere Bindermaterialeinrichtungen übereinander und/oder nebeneinander angeordnet sein. Mittels der nebeneinander angeordneten Bindermaterialeinrichtungen können z. B. lokal unterschiedliche Verhältnisse von Partikelmasse zu Bindermaterialmasse bei dem Material für den Materialstrang und damit dem Materialstrang eingestellt werden. Ebenso können die Bindermaterialeinrichtungen 109 dasselbe oder jeweils ein unterschiedliches Bindermaterial 110 verwenden. Damit können die Partikel mit unterschiedlichen Bindermaterialien versehen werden.
Des Weiteren kann ein zyklisches Aufbringen des Materialstrangs 2 aus mit dem Bindermaterial 110 versehenen Partikeln 108 erfolgen. Dabei kann eine definierte Partikelmenge zunächst mit dem Bindermaterial benetzt oder versehen werden, bevor es der Auftrageeinrichtung 5 zugeführt wird. Die Partikel sind dabei z. B. in einem nicht dargestellten Behälter aufgenommen und Bindermaterial wird dazugegeben und alles wird gemischt, bis das Bindermaterial gleichmäßig auf den Partikeln verteilt ist. Das Bindermaterial kann dabei den Partikeln auf einmal oder nach und nach während des Mischprozesses zugeführt werden. Optional kann dabei eine erste nicht dargestellte Vorbereitungseinheit das Bindermaterial in die Partikelmasse einarbeiten, während parallel hierzu eine weitere zweite nicht dargestellte Vorbereitungseinheit, die bereits fertig mit Bindermaterial versehenen Partikel der Auftrageeinrichtung zuführt zum Auftragen des Materialstrangs aus den mit dem Bindermaterial versehenen Partikeln auf eine geeignete Unterlage, z. B. eine Bauplattform.
Das Kompaktieren und Fördern der mit dem Bindermaterial 110 versehenen Partikel 108 kann optional vor dem lagen- oder schichtweisen Auftragen auf eine Unterlage 101, wie z. B. eine Bauplattform 6, durch Elemente der Kompaktierungs- und Fördereinrichtung 111 erfolgen, wie beispielsweise ein oder mehrere Walzen 112, Trichter, Extruder und/oder druckbasierte Systeme usw.. Die Aufzählung der Elemente zum Kompaktieren und/oder Fördern der mit dem Bindermaterial 110 versehenen Partikel 108 ist lediglich beispielhaft und nicht abschließend. Die Geschwindigkeit mit der die Elemente arbeiten, beispielsweise die Geschwindigkeit mit der die jeweilige Walze 112 um ihre Achse rotiert, der Extruder oder das druckbasierte System usw. arbeitet, kann einstellbar und beispielsweise konstant oder variierbar sein.
Die mit dem Bindermaterial 110 versehenen Partikel 108 können des Weiteren auch bei dem lagen- oder schichtweisen Auftragen auf eine Unterlage 101 kompaktiert werden, beispielsweise ebenfalls durch Walzen oder ein geeignetes Abstreifersystem. Zusätzlich oder alternativ können die mit dem Bindermaterial 110 versehenen Partikel 108 auch mit einem entsprechenden Druck aufgetragen werden, so dass eine Kompaktierung durch den Druck erfolgt.
Ebenso können die mit dem Bindermaterial 110 versehenen Partikel 108 zusätzlich oder alternativ auch nach dem Aufbringen auf die Unterlage 101 oder nach dem Aufbringen von mehreren Schichten auf die Unterlage 101 nachträglich kompaktiert werden. Dazu kann z. B. wenigstens eine nicht dargestellte Walze als Formungselement auf der Oberseite des Materialstrangs 2 angeordnet sein, welcher aus dem mit Bindermaterial 110 versehenen Partikeln 108 besteht. Die Walze kann sich hierbei über einen Teil oder die gesamte Breite des herzustellenden Bauteils erstrecken.
Zusätzlich oder alternativ kann zum Kompaktieren des Materialstrangs 2 auch eine nicht dargestellte Presse vorgesehen werden. Die Presse kann optional zusätzlich unter Einwirkung von Temperatur den Materialstrang kompaktieren. Durch einen höheren Druck und/oder eine höhere Temperatur sowie optional eine längere Einwirkzeit kann die Festigkeit des Materialstrangs weiter gesteigert und der Anteil an Bindermaterial weiter reduziert werden.
Partikel 108, die als Materialstrang in Schichten aufgebracht werden sollen, können durch die zuvor beschriebene Partikelzuführungseinrichtung 107, z. B. einen Partikelzuführungsbehälter, in entsprechender Art und Weise, beispielsweise in Form eines Partikelvorhangs, der Bindermaterialeinrichtung 109 zugeführt werden. Zur besonders gleichmäßigen Partikelverteilung und möglichst problemlosen Weitergabe der Partikel 108 kann die Partikelzuführungseinrichtung 107, z. B. der Partikelzuführungsbehälter, optional zusätzlich in Schwingung oder Vibration versetzt werden.
Die Partikel 108 können direkt in der Partikelzuführungseinrichtung 107, z. B. dem Partikelzuführungsbehälter, deponiert werden. Ebenso können die Partikel 108 in einem der Partikelzuführungseinrichtung 107 nicht dargestellten vorgeschalteten Bevorratungsbehälter deponiert werden. Der Bevorratungsbehälter kann entweder direkt an der Auftrageeinrichtung 5 angebracht sein oder sich an einem festen oder stationären Ort der Gesamtanlage befindet, von dem aus z. B. der Partikelzuführbehälter immer wieder aufgefüllt wird. Zum Befüllen fährt der Bevorratungsbehälter beispielsweise zu dem Partikelzuführungsbehälter und/oder umgekehrt.
Die Partikel 108 können auch über ein Fördersystem, wie ein Schlauchsystem, ein Rohrsystem und/oder ein Förderband usw., von dem Bevorratungsbehälter zu der Auftrageeinrichtung 5 gefördert werden.
Optional kann die Partikelzuführung zusätzlich druckbasiert erfolgen. Die Partikel 108 können hierbei in das System eingeblasen werden und können sich ggf. mit ihrer kinetischen Energie durch die Bindermaterialeinrichtung 109 und Kompaktierungs- und Fördereinrichtung 111 bis auf die Unterlage, z. B. eine Bauplattform, bewegen. Die Kompaktierungs- und Fördereinrichtung 111 kann dabei beispielsweise lediglich als Trichter ausgeführt sein.
Das Aufbringen des Bindermaterials 110 auf die Partikel 108 kann kontinuierlich erfolgen. Beispielsweise kann das Bindermaterial 110 auf die Partikel 108 aufgesprüht werden. Die Partikel 108 können dabei in einem Partikelvorhang durch ihre Schwerkraft nach unten rieseln und der Partikelvorhang von wenigstens einer Seite mit dem Bindermaterial 110 besprüht werden. Die Partikel 108 fließen dabei zunächst z. B. durch den Spalt 12, ausschließlich aufgrund ihrer Schwerkraft, um anschließend als Partikelvorhang mit Bindermaterial 110 in der Bindermaterialeinrichtung 109 besprüht zu werden. Der Spalt 12 kann durch einen nicht dargestellten Schieber in seiner Breite eingestellt und/oder geöffnet und geschlossen werden.
Statt passiv, rein durch die eigene Schwerkraft, können die Partikel 108 auch aktiv in den Partikelvorhang gefördert werden, beispielsweise durch eine Förderwalze 113, wie sie in 28 dargestellt ist.
In 28 werden die Partikel 108 aus z. B. einem trichterförmigen Partikelbehälter als Partikelzuführungseinrichtung 107 mittels einer Förderwalze 113 gefördert, um anschließend einen Partikelvorhang zu erzeugen. Der Partikelvorhang wird hierbei von wenigstens einer Seite mit Bindermaterial besprüht, um die Partikel mit dem Bindermaterial zu versetzen.
Die Partikel können während des Sprühvorgangs mit Bindermaterial optional zusätzlich gleichzeitig bewegt werden, beispielsweise mittels nicht dargestellter Mischbleche.
Des Weiteren können die Partikel auch mit Bindermaterial benetzt werden das auf Walzen aufgetragen ist. Das Auftragen des Bindermaterials kann beispielsweise erfolgen, indem die Walzen eine Wanne mit dem Bindermaterial durchlaufen. Die Walzen können für eine gute Benetzung der Partikel mit Bindermaterial auch mit einer weichen Beschichtung versehen sein, wobei die Beschichtung insbesondere zusätzlich saugfähig ausgeführt sein kann.
Zur Verarbeitung der Partikel 108 können, wie in 29 gezeigt ist, mehrere Partikelzuführungseinrichtungen 107, z. B. mehrere Partikelzuführungsbehälter, vorgesehen werden, wobei die Partikelzuführungseinrichtungen 107 jeweils dieselben oder verschiedene Partikel 108 enthalten können, wie in 29 angedeutet ist. Die Partikel 108 können sich dabei z. B. in Material, Größe, Form und/oder Art, z. B. massive oder hohle Partikel usw., unterscheiden. In dem Ausführungsbeispiel in 29 weisen die beiden Partikelzuführungsbehälter unterschiedliche Partikel 108 auf. Dadurch können die Partikel 108 zum Herstellen des Materials für den Materialstrang während des schichtweisen Auftragens gewechselt werden und einmal die Partikel 108 des ersten und einmal die Partikel 108 des zweiten Partikelzuführungsbehälters aufgetragen werden. Dadurch kann die Zusammensetzung des Materials für den Materialstrang variiert werden, beispielsweise hinsichtlich der Partikel.
Vor dem Auftragen werden die Partikel 108 der Partikelzuführungsbehälter entsprechend mit Bindermaterial versehen, wie zuvor beschrieben wurde. Über einen entsprechenden in 29 stark vereinfachten Zuführungsmechanismus 114 kann einmal der eine Partikelzuführungsbehälter zum Zuführen seiner Partikel 108 geöffnet und einmal der andere Partikelbehälter zum Zuführen seiner Partikel 108 geöffnet werden.
Der Wechsel der Partikelzuführungsbehälter bzw. der darin enthaltenen Partikel 108 kann beispielsweise nach einer fertigen Schicht durchgeführt werden, so dass die darauffolgende Schicht komplett mit den neuen und zuvor mit Bindermaterial versehenen Partikeln erstellt werden kann. Ebenso kann der Wechsel der Partikelzuführungsbehälter bzw. der darin enthaltenen Partikel auch z. B. für wenigstens einen oder mehrere Abschnitte innerhalb einer Schicht durchgeführt werden.
Des Weiteren können auch mehrere Auftrageeinrichtungen mit unterschiedlichen Partikeln verwendet werden, welche jeweils vor dem Auftragen mit demselben oder einem unterschiedlichen Bindermaterial benetzt werden.
Beispielsweise kann es für die Erzeugung von holzbasierten Bauteilen wünschenswert sein, den Innenbereich des Bauteils möglichst leicht, mit großen Holzspänen und mit vielen Hohlräumen zu bauen oder mit hohlen Partikel, wie beispielsweise aus Pappe, während der Außenbereich und damit die Außenseite des Bauteils, z. B. die Oberseite des Bauteils, möglichst glatt sein soll. Entsprechend kann hier einerseits für den Innenbereich des Bauteils mit größeren Holzspänen als Partikel und für den Außenbereich mit kleineren Holzspänen als Partikel gearbeitet werden.
Die Verarbeitung von gemischten Partikeln 108 zur Herstellung des Materials für den Materialstrang, die aus zwei oder mehreren Partikelzuführungseinrichtungen, z. B. mehreren Partikelzuführungsbehältern, gemischt werden, ist in 30 gezeigt. Dabei können z. B. große Partikel 108, optional zusätzlich mit einem Hohlraum insbesondere für den Leichtbau, mit kleineren Partikeln 108 gemischt und anschließend mit Bindermaterial versehen werden zum Ausbilden eines Materialstrangs. Durch das Mischen von Partikeln 108 können Eigenschaften des daraus resultierenden Materialstrangs, wie Dichte, Oberflächengüte usw., gezielt eingestellt oder angepasst werden.
Die Partikel 108 können dabei vor dem Einfüllen in einen Partikelzuführungsbehälter miteinander gemischt werden. Ebenso können bei der Verwendung von mehreren Partikelzuführungsbehältern als Partikelzuführungseinrichtungen 107 die Partikel 108 dieser Behälter während der Verarbeitung in einer Mischereinrichtung 115 gemischt werden, so dass beim schichtweisen Aufbau eines Bauteils lokal dessen Materialeigenschaften eingestellt werden können, wie in 30 angedeutet ist. Dort wird über Zuführungsmechanismen 114, welche jeweils einen Schieber aufweisen, der Zufluss und damit das Mischverhältnis der Partikel 108 aus den Partikelzuführungsbehälter gesteuert und in der Mischereinrichtung 115 gemischt, bevor die Mischung aus den Partikeln 108 anschließend mit Bindermaterial benetzt und über wenigstens eine Düseneinrichtung auf eine Unterlage als Materialstrang schichtweise aufgetragen wird.
In 31 ist eine Verarbeitung eines Materialstrangs 2 mit lokal unterschiedlichen Partikeln 108 dargestellt. Die in 31 dargestellte einundzwanzigste Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung 100 entspricht im Wesentlichen der in 27 gezeigten zwanzigsten Ausführungsform. Sie unterscheidet sich von dieser in 27 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass mehrere Partikelzuführungseinrichtungen 107 sowie mehrere Bindermaterialeinrichtungen 109 vorgesehen sind. Des Weiteren ist eine Zusammenführeinrichtung 117 vorgesehen. Die Partikelzuführungseinrichtungen 107, z. B. Partikelzuführungsbehälter, weisen in dem Ausführungsbeispiel in 31 verschiedene Partikel 108 auf. Diese werden in zugeordneten Bindermaterialeinrichtungen 109 mit Bindermaterial benetzt, bevor sie der Zusammenführeinrichtung 117 zugeführt und von dort der Kompaktierungs- und Fördereinrichtung 111 zugeführt werden. Durch die mehreren Bindermaterialeinrichtungen 109 kann lokal das Verhältnis von Partikelmasse zu Bindermaterialmasse in dem Material für den Materialstrang eingestellt werden. Des Weiteren kann jeweils das gleiche Bindermaterial in den Bindermaterialeinrichtungen 109 verwendet werden oder ein unterschiedliches Bindermaterial.
Bei einer Verwendung einer Kompaktierungs- und Fördereinrichtung 111, welche keine Vermischung der mit Bindermaterial behafteten Partikel 108 bewirkt, z. B. das in 31 gezeigte Walzensystem, können die Eigenschaften des Materialstrangs 2 aus den mit dem Bindermaterial oder Bindermaterialien benetzten Partikel 108 lokal eingestellt werden. So können beispielsweise außen kleine mit Bindermaterial benetzte Partikel kompaktiert und gefördert und innen größere mit Bindermaterial benetzte Partikel kompaktiert und gefördert werden. Dadurch kann ein Materialstrang 2 durch die an die Kompaktierungs- und Fördereinrichtung 111 angeschlossene Düseneinrichtung 1 auf eine nicht dargestellte Unterlage aufgetragen werden, welcher außen eine glatte oder glattere Oberfläche aufweist und innen wenig Bindematerial durch die größeren und gegebenenfalls mit einem Hohlraum versehenen Partikel. Diese größeren und gegebenenfalls hohlen oder porösen Partikel führen wiederum zu einer Gewichtsreduktion des Bauteils.
Beispielsweise kann es für die Erzeugung von holzbasierten Bauteilen wünschenswert sein, den Innenbereich des Bauteils möglichst leicht, mit großen Holzspänen und mit vielen Hohlräumen zu bauen oder mit hohlen Partikel, wie beispielsweise aus Pappe, während der Außenbereich und damit die Außenseite des Bauteils, z. B. die Oberseite des Bauteils, möglichst glatt sein soll. Entsprechend kann hier einerseits für den Innenbereich des Bauteils mit größeren Holzspänen als Partikel und für den Außenbereich mit kleineren Holzspänen als Partikel gearbeitet werden.
In 32 ist ein Ausführungsbeispiel einer Düseneinrichtung 1 der Herstellungsvorrichtung 100 gezeigt, wie sie bei den zuvor beschriebenen Herstellungsvorrichtungen eingesetzt werden kann. Die Düseneinrichtung 1 ist dabei aus wenigstens zwei relativ zueinander bewegbaren Düsenelementen 116 ausgebildet, mittels denen der Düsenquerschnitt vergrößert und/oder verkleinert werden kann. Dabei ist wenigstens eines der Düsenelemente 116 beweglich während das andere Düsenelement 116 entweder ebenfalls beweglich oder feststehend ausgebildet sein kann. Die Düsenelemente 116 können dabei als Düsenschieber, wie in 32 gezeigt ist, zusammen und auseinander schiebebar ausgebildet sein. Ebenso können die beiden Düsenelemente 116 zusammen teleskopartig ein- und ausfahrbar ausgebildet sein, wobei der Düsenquerschnitt durch das Ein- und Ausfahren der Düsenelemente 116 vergrößert oder verkleinert werden kann.
Durch die Düsenelemente 116 kann der Durchmesser des Materialstrangs 2 aus mit Bindermaterial versehenen Partikeln eingestellt und z. B. variiert und/oder geformt werden. Beispielsweise kann die Breite oder der Querschnitt des Materialstrangs 2 statt konstant gehalten auch verändert oder variiert werden.
Wie zuvor bereits mit Bezug auf die 1–26 beschrieben wurde, kann das Auftragen des Materialstrangs 2 durch die Auftrageeinrichtung 5 entsprechend konditioniert werden. Dabei kann wenigstens ein Teil oder wenigstens eine Komponente der Auftrageeinrichtung 5 temperiert werden. Beispielsweise kann ein Heizen und/oder Kühlen der Kompaktierungs- und Fördereinrichtung 111 und/oder der Düseneinrichtung 1 vorgesehen werden, damit die Aushärtung z. B. des Bindermaterials nicht schon in diesen Subsystemen stattfindet. Des Weiteren können, wie zuvor ebenfalls bereits beschrieben, zusätzliche Materialien, wie beispielsweise Fasern, Luft, Flüssigkeiten, Pasten, Pulver, weitere Partikel usw. in den Materialstrang 2 eingebracht werden. Mittels des Einbringens wenigstens einer zusätzlichen Flüssigkeit kann z. B. die Haftung des Materialstrangs 2 beispielsweise innerhalb der Düseneinrichtung reduziert oder der Flüssigkeitshaushalt des Materialstrangs 2 ausgeglichen werden, wenn Partikel 108, die schnell Flüssigkeit aus dem Bindermaterial 110 des Materialstrangs ziehen, verwendet werden.
Des Weiteren können, wie zuvor mit Bezug auf die 1–26 beschrieben, die Partikelzuführungseinrichtung 107, die Speichereinrichtung 21, die Mischereinrichtung 115, die Kompaktierungs- und Fördereinrichtung 111, die Düseneinrichtung 1 und/oder Teile der aufgezählten Systeme in Schwingung oder Vibration versetzt werden. Im Falle der Kompaktierungs- und Fördereinrichtung 111 kann so das Kompaktieren und/oder Fördern unterstützt werden oder auch das Kompaktieren und/oder Fördern komplett dadurch realisiert werden. Beispielsweise kann eine zusätzliche und z. B. nachträglich vorgesehene, vibrierende nicht dargestellte Verdichtungseinheit eine weitere Komprimierung des aufgetragenen Materialstrangs bewirken.
Wie in den 33 und 34 gezeigt ist, können statt wie zuvor in den 1–32, statt nur einer Auftrageeinrichtung auch mehrere Auftrageeinrichtungen 5 und damit verbunden mehrere Düseneinrichtungen 1 eingesetzt werden. Diese Düseneinrichtungen 1 können dabei zusammen gleichzeitig mehrere Schichten von Materialsträngen 2 auf eine Unterlage 101 auftragen.
In dem in 33 gezeigten Ausführungsbeispiel können die Auftrageeinrichtungen 5 und ihre Düseneinrichtungen 1 unabhängig voneinander einen jeweiligen Materialstrang 2 auftragen, während in 34 die Auftrageeinrichtungen 5 und ihre Düseneinrichtungen 1 miteinander gekoppelt sind. Die Auftrageeinrichtungen 5 und ihre Düseneinrichtungen 1 tragen daher voneinander abhängig jeweils einen Materialstrang 2 auf. Die Auftrageeinrichtung in den 33 und 34 verläuft in Z-Richtung.
Wie zuvor beispielsweise mit Bezug auf die 3–6 beschrieben wurde, können die Auftrageeinrichtung und/oder ihre Düseneinrichtung auch geneigt oder gekippt vorgesehen sein. Dies gilt entsprechend auch für die zuvor in den 27–34 gezeigten Ausführungsformen. Zur Generierung möglichst hoher Schichten kann beispielsweise die Düseneinrichtung auch seitlich und ggf. schräg oder leicht schräg angeordnet sein und das Material gegen die Auftrageeinrichtung, wie zuvor in 19, oder senkrecht zu der Auftragsrichtung, wie zuvor in 17, auftragen werden. Dabei wird ein Gegenhalter auf der gegenüberliegenden Seite vorgesehen und ggf. vor dem Materialstrang oder in beliebigen Winkeln zu der Auftragsrichtung.
Die Auftragung des Materialstrangs kann auch gleichzeitig von zwei Seiten erfolgen, wie zuvor in 18 gezeigt ist, Wenn sich bei dem Auftragen der Materialstränge diese sich z. B. mit zuvor aufgetragenen Materialsträngen kreuzen, kann in diesem Fall die Düseneinrichtung oder auch der beispielsweise an der Düseneinrichtung vorgesehene Gegenhalter entfernbar sein. Dies kann z. B. durch das nach oben wegfahren der Düseneinrichtung oder des Gegenhalters erfolgen, wie in den 17, 18, 19 und 22 angedeutet ist.
Die gesamte Auftrageeinrichtung oder auch z. B. nur die Düseneinrichtung können drehbar ausgebildet sein, so dass die Ausrichtung der anisotropen Eigenschaften des Materialstrangs, wie die Breite des Strangs, die Partikel usw., in Bezug zur Auftrageeinrichtung erhalten bleiben, auch wenn sich die Auftrageeinrichtung geändert wird, wie zuvor in 26 gezeigt ist. Die Düseneinrichtung kann dabei endlose oder nur in einem gewissen Winkelbereich von z. B. bis maximal 720° drehbar ausgebildet sein. Die Düseneinrichtung kann nach dem Auftragen einer kompletten Schicht oder auch während des Auftragens einer Schicht in eine zuvor definierte Winkelposition zurückgedreht werden.
Zur Verbesserung der Haftung zwischen einer Schicht des Materialstrangs, die gerade aufgebracht wird, und einer zuvor aufgebrachten Schicht des Materialstrangs, kann optional z. B. an der Auftrageeinrichtung eine nicht dargestellte weiteren Aktivierungseinrichtung vorgesehen sein, zur Aktivierung der zuvor aufgebrachten Schicht des Materialstrangs. Die Aktivierungseinrichtung kann den Materialstrang beispielsweise mittels einer Infrarot (IR) Strahlung vorwärmen, beispielsweise im Falle eines Schmelzklebstoffs als Bindematerial. Des Weiteren kann eine Sprüheinrichtung als Bindermaterialeinrichtung für das Aufbringen eines Bindermaterials vorgesehen sein, wie zuvor in 27 angedeutet wurde. Ebenso kann eine Sprüheinrichtung vorgesehen werden zum Befeuchten und/oder Aktivieren des Materials vor, während und/oder nach dem Auftragen als Materialstrang.
Des Weiteren kann die Auftrageeinrichtung optional mit einer zusätzlichen nicht dargestellten Aushärtungseinrichtung versehen oder mit einer solchen gekoppelt sein, die die Aushärtung des aufgetragenen Materialstrangs beschleunigt. Die Aushärteeinrichtung kann dazu einen kalten und/oder warmen Gasstrom, insbesondere Luftstrom, eine Wärmestrahlung, eine UV-Strahlung und/oder einen Flüssigkeitsnebel erzeugen.
Für die Herstellung von Schichten des Materialstrangs, die nicht auf einer Plattform oder auf einer bereits vorherigen Schicht des Materialstrangs aufgebaut werden, können optional zusätzlich ein oder mehrere nicht dargestellte Stützstrukturen vorgesehen sein. Die jeweilige Stützstruktur kann dabei z. B. aus mit demselben oder einem anderen Bindermaterial benetzten Partikeln und damit Material aufgebaut sein. Dabei kann die Stützstruktur dieselben Partikel oder Partikelkombination als das Material des herzustellenden Bauteils oder andere Partikel oder Partikelkombinationen aufweisen. Solche Stützstrukturen haben den Vorteil, dass sie sich später leichter entfernen lassen und ggf. zusätzlich recyclebar sind.
Die jeweilige Stützstruktur kann als feine durchgehende oder nicht durchgehende Struktur realisiert werden, die später leichter entfernbar ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Stützstruktur auch mit einer geringen oder geringeren Dichte hergestellt werden und dadurch ebenfalls leicht entfernbar sein.
Vorzugsweise sind die Stützstruktur und das fertige Bauteil wiederverwendbar ausgebildet. Beispielsweise kann das ausgehärtete Bindermaterial der Stützstruktur bzw. des fertigen Bauteils beispielsweise durch Flüssigkeiten, durch Temperatur, mechanische Energie, Strahlungsenergie usw. lösbar sein. Dadurch kann das Bindermaterial von den Partikeln entfernt werden, da es beispielsweise verflüssigt oder derart zersetzt wird, so dass es mittels eines Gebläses von den Partikeln entfernt oder durch ein Sieb, die Partikel aus dem Bindermaterial herausgesiebt werden können. Beispielsweis bei einem Masseverhältnis von Partikeln zu Bindermaterial von 80 zu 20.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Die in den 1 bis 34 gezeigten Ausführungsbeispiele sind auch miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale davon.
In den zuvor mit Bezug auf die 1–34 beschrieben Ausführungsformen kann die Auftageeinrichtung, zumindest ein Element der Auftrageeinrichtung und/oder die Unterlage, z. B. Bauplattform oder Trägereinheit, in wenigstens zwei oder allen drei Raumachse, d. h., der X-, Y-, und/oder Z-Achse, beweglich ausgebildet sein und wahlweise zusätzlich um wenigstens die X-, Y-, und/oder Z-Achse rotierbar und/oder neigbar sein. Für die Generierung neuer Schichten des Materialstrangs kann z. B. die Auftrageeinrichtung in Y-Richtung oder senkrecht zu der Unterlage, um eine Schichthöhe verfahren und/oder die Unterlage wird um eine Schicht abgesenkt. Wahlweise zusätzlich kann die Auftrageeinrichtung z. B. um die Y-Achse oder X-Achse neigbar oder kippbar ausgebildet sein, so dass die Schichten der Materialstränge mit beliebiger Ausrichtung erzeugt werden können.
Das Bindermaterial ist während des schichtweisen Aufbringens des Materialstrangs beispielsweise flüssig oder pastös, so dass nach dem schichtweisen Aufbringen eine Verfestigung und somit eine Verbindung der mit dem Bindematerial benetzten Partikel des Materialstrangs erfolgt. Das Aushärten des Bindematerials des Materialstrangs, und somit eine Verbindung mit den in dem Bindematerial aufgenommenen Partikel, erfolgt nach dem Aufbringen des Materialstrangs auf die Unterlage.
Wie zuvor beschrieben besteht das Material für den Materialstrang aus mit wenigstens einem Bindermaterial versehenen Partikeln. Die Partikel können dabei gleich oder im Wesentlichen gleich oder unterschiedlich sein und sich beispielsweise hinsichtlich ihrer Größe und/oder hinsichtlich ihres Materials voneinander unterscheiden. Des Weiteren kann der Materialstrang massiv oder mit wenigstens einem Hohlraum versehen sein. Außerdem kann der Materialstrang optional mit wenigstens einem zusätzlichen Material versehen sein, beispielsweise mit Fasern, Glasperlen, Styroporkugeln, Sand und/oder Hohlkörpern usw.. welches in den Materialstrang eingearbeitet wird und/oder in wenigstens einen Hohlraum des Materialstrangs eingefüllt wird. Diese Ausführungen gelten dabei für alle Ausführungsformen der Erfindung.
Bezugszeichenliste

1: Düseneinrichtung
2: Materialstrang
3: Formungselement
4: Bearbeitungseinrichtung
5: Auftrageeinrichtung
6: Bauplattform
7: Schicht oder Lage
8: Abschirmung
9: Kapselungseinrichtung
10: Vertiefung
11: Düse
12: Spalt
13: Gegenhalter
14: Scheibe
15: festes Element
16: Achse
18: Kern
19: Zuführungseinrichtung
20: Füllmaterial
21: Speichereinrichtung
22: Zusatzelement
100: Herstellungsvorrichtung
101: Unterlage
102: Längsachse
103: Strukturierungselement
104: Frontplatte
105: Hohlraum
106: Zwischenwand
107: Partikelzuführungseinrichtung
108: Partikel
109: Bindermaterialeinrichtung
110: Bindermaterial
111: Kompaktierungs- und Fördereinrichtung
112: Walze
113: Förderwalze
114: Zuführungsmechanismus
115: Mischereinrichtung
116: Düsenelement
117: Zusammenführeinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0833237 B1 [0004]
EP 0431924 B1 [0005]
WO 2006/033621 A1 [0009]
US 0431924 A2 [0010]
DE 10117875 C1 [0011]
DE 102004008168 A1 [0012]

Claims

Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils aus wenigstens einem Materialstrang (2), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen von Partikeln (108); Bereitstellen wenigstens eines Bindermaterials (110); Versehen der Partikel (108) mit dem wenigstens einen Bindermaterial (110) zum Ausbilden des Materials des Materialstrangs (2); Schichtweises Auftragen des Materialstrangs (2) in Form des dreidimensionalen Bauteils mittels einer Auftrageeinrichtung (5), und Aushärten des dreidimensionalen Bauteils.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt, Formen zumindest eines Abschnitts der Kontur des Materialstrangs (2) und/oder Einbringen wenigstens eines zusätzlichen Materials (20) in den Materialstrang (2), wobei das zusätzliche Material (20) insbesondere fest, flüssig, gasförmig und/oder pastös ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Materialstrangs (2) die gleichen oder verschiedene Partikel (108) aufweist, wobei die gleichen oder die verschiedenen Partikel (108) in dem Materialstrang (2) gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt sind, und wobei die verschiedenen Partikel (108) sich insbesondere hinsichtlich ihres Materials, ihrer Größe, ihrer Form, ihres Gewichts, ihrer Dichte, und/oder ihrer Struktur voneinander unterscheiden, wobei die Partikel (108) insbesondere eine massive, hohle oder poröse Struktur aufweisen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (108) in Form von Fasern, Kugeln, Granulat, Pellets, Spähnen und/oder Pulver ausgebildet sind und wobei die Partikel vorzugsweise aus Holz, Papier, Pappe, Zellulose, Styropor, Metall, Kunststoff, Keramik, Kohlefasern, Glasfasern, einem mineralischen Werkstoff und/oder Harz bestehen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindermaterial (110) wenigstens ein Thermoplast, ein Klebstoff, ein Harz und/oder ein Harzsystem ist, wobei der Klebstoff insbesondere ein Schmelzklebstoff, ein Reaktionsklebstoff, ein Lösemittelklebstoff oder ein Dispersionsklebstoff ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Versehens der Partikel (108) mit dem wenigstens einen Bindermaterial (110) zum Ausbilden des Materials des wenigstens einen Materialstrangs (2) aufweist: Aufsprühen des Bindermaterials (110) auf die Partikel (108) durch wenigstens eine Düse (11) wenigstens einer Bindermaterialeinrichtung (109), und/oder Mischen der Partikel mit dem Bindermaterial (110) in einer Mischereinrichtung (115), und/oder Auftragen des Bindermaterials (110) auf die Partikel (108) durch wenigstens eine mit dem Bindermaterial getränkte Walze (112), wobei die Walze insbesondere mit einer saugfähigen Beschichtung versehen ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, aktives und/oder passives Zuführen der Partikel (108) mittels wenigstens einer Partikelzuführungseinrichtung (107) der wenigstens einen Bindermaterialeinrichtung (109), wobei die Partikel (108) passiv aufgrund ihrer Schwerkraft, insbesondere als ein Partikelvorhang, und/oder aktiv mittels wenigstens eines Förderbands, einer Förderwalze, eines Schlauchsystems, eines Rohrsystems und/oder mittels eines druckbasierten Systems der wenigstens einen Bindermaterialeinrichtung (109) zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, Steuern und/oder Regeln des Zuflusses der Partikel (108) mittels der wenigstens einen Partikelzuführungseinrichtung (107) zu der Bindermaterialeinrichtung (109), wobei insbesondere eine konstante Menge und/oder eine variierende Menge der Partikel (108) durch die Partikelzuführungseinrichtung (107) der wenigstens einen Bindermaterialeinrichtung (109) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, zusätzliches Kompaktieren der mit dem Bindermaterial (110) versehenen Partikel (108) in einer Kompaktierungs- und Fördereinrichtung (111), wobei das Kompaktieren der mit dem Bindermaterial (110) versehenen Partikel (108) vor dem Auftragen durch die Auftrageeinrichtung (5), während dem Auftragen durch die Auftrageeinrichtung (5) und/oder nach dem Auftragen durch die Auftrageeinrichtung (5) auf eine Unterlage (101) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, Formen des Materialstrangs (2) vor, während und/oder nach dem Härten des Materialstrangs (2), wobei der Materialstrang (2) nach dem Härten geformt wird insbesondere durch Erwärmen des Materialstrangs (2) und/oder eine spanende Bearbeitung des Materialstrangs (2).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, Aushärten des Materialstrangs (2) durch Strahlung, insbesondere Infrarot (IR)-Strahlung, Laserstrahlung oder UV-Strahlung, durch mechanische Energie, insbesondere Ultraschall, und/oder Wärme.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, Schichtweises Auftragen mehrerer Materialstränge (2) zur Ausbildung des dreidimensionalen Bauteils mittels einer gemeinsamen Auftrageeinrichtung (5) oder jeweils einer eigenen Auftrageeinrichtung (5), wobei die Materialstränge (2) aus demselben Material oder einem unterschiedlichen Material hergestellt sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, Ausbilden des dreidimensionalen Bauteils mit wenigstens einer Stützstruktur und entfernen der wenigstens einen Stützstruktur nach dem Aushärten des Bauteils, wobei die Stützstruktur aus demselben Material wie das Bauteil oder einem anderen Material als das Bauteil hergestellt ist.
Dreidimensionales Bauteil welches mit dem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche hergestellt ist.
Herstellungsvorrichtung (100) zur schichtweisen Herstellung des dreidimensionalen Bauteils gemäß Anspruch 14 mit dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.
Herstellungsvorrichtung (100) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellungsvorrichtung (100) die wenigstens eine Auftrageeinrichtung (5) aufweist, wobei die Auftrageeinrichtung (5) wenigstens eine Düseneinrichtung (1) aufweist zum schichtweisen Auftragen des wenigstens einen Materialstrangs (2) gemäß der Form des dreidimensionalen Bauteils auf einen Untergrund (6).
Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellungsvorrichtung (100) eine Bearbeitungseinrichtung (4) aufweist zum Formen zumindest eines Abschnitts der Kontur des Materialstrangs (2) und/oder zum Einbringen wenigstens eines zusätzlichen Materials (20) in den Materialstrang (2).
Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungseinrichtung (4) derart ausgebildet ist, zumindest den Abschnitt der Kontur des Materialstrangs (2) zu glätten, aufzurauen, zu kompaktieren, mit Vertiefungen und/oder Erhebungen auszubilden.
Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Düseneinrichtung (1) als Bearbeitungseinrichtung (4) ausgebildet ist, wobei die Düseneinrichtung (1) insbesondere einen Kern (18) als Formungselement (3) aufweist, wobei der Kern (18) in der Düseneinrichtung (1) derart angeordnet ist, einen oder mehrere Hohlräume in dem von der Düseneinrichtung (1) ausgegebenen Materialstrang (2) auszubilden.
Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (18) massiv oder hohl ausgebildet ist und mit wenigstens einer Zuführungseinrichtung (19) verbunden ist zum Zuführen des zusätzlichen Materials (20) in den wenigstens einen durch den Kern (18) erzeugten Hohlraum.
Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Düseneinrichtung (1) wenigstens mit einer Zuführungseinrichtung (19) verbunden ist zum Zuführen des zusätzlichen Materials und Auftragen des zusätzlichen Materialstrangs (2) zumindest auf einen Abschnitt der Außenseite des Materialstrangs (2) oder Einbringen des zusätzlichen Materials in den Materialstrang (2).
Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungseinrichtung (4) wenigstens ein Formungselement (3) aufweist zum Formen der Kontur des Materialstrangs (2), wobei das Formungselement (3) feststehend, verschieblich und/oder drehbar ausgebildet ist und wobei das Formungselement (3) insbesondere eine Walze, eine Düse (11) zum Erzeugen eines formenden Fluidstrahls oder ein Schlitten ist und wobei der Schlitten vorzugsweise in den Materialstrang (2) hineinfahrbar und aus dem Materialstrang (2) herausfahrbar ist.
Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Formungselement (3) auf seiner Außenseite mit wenigstens einem Strukturierungselement (103) versehen ist, wobei das Strukturierungselement (103) eine Vertiefung und/oder eine Erhebung ist.
Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialstrang (2) durch die Erhebung als Strukturierungselement (103) mit wenigstens einer Vertiefung versehbar ist, wobei die wenigstens eine Vertiefung des Materialstrangs (2) zusätzlich durch das Auftragen einer weiteren Schicht des Materialstrangs (2) verschließbar ist zur Ausbildung des Materialstrangs (2) mit wenigstens einem Hohlraum (105).
Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 22, 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Formungselement (3) zwei zueinander versetzt rotierende Elemente, insbesondere Scheiben (14), aufweist, wobei das wenigstens eine Strukturierungselement (103) des Formungselements (3) mit den rotierenden Elementen derart gekoppelt ist, dass das Strukturierungselement (103) in den den Materialstrang (2) einfahrbar und aus diesem ausfahrbar ist zur Ausbildung von Vertiefungen in dem Materialstrang (2).
Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Düseneinrichtung (1) derart ausgebildet ist den Materialstrang (2) senkrecht, in einer Schräge oder parallel zur der Unterlage (6) zu fördern, wobei die Düseneinrichtung (1) zur Auftragung des Materialstrangs (2) in einer Schräge zu der Unterlage um einen Winkel geneigt oder neigbar zu der Unterlage (6) ausgebildet ist.
Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Düseneinrichtung (1) einen Gegenhalter (13) aufweist, wobei der Gegenhalter (13) feststehend oder verschieblich ausgebildet.
Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Düseneinrichtungen (1) derart einander gegenüberliegend angeordnet sind, dass sie einen gemeinsamen Materialstrang (2) erzeugen.
Herstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftrageeinrichtung (5) wenigstens eine Partikelführungseinrichtung (107) aufweist zum Zuführen von Partikeln, wobei die Partikel insbesondere Holzmehl, Holzspäne, Partikel aus Pappe, Styropor-Partikel, Metallpartikel, Kunststoffpartikel, Keramikpartikel, Partikel aus einem mineralischen Werkstoff, Papierpartikel und/oder Sand sind, und wenigstens eine Bindermaterialeinrichtung (109) zum Versehen der Partikel der Partikelzuführungseinrichtung mit einem Bindermaterial, wobei das Bindermaterial insbesondere ein Thermoplast, ein Klebstoff, insbesondere ein Schmelzklebstoff oder ein Reaktionsklebstoff, und/oder ein Harzsystem ist.
Herstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Düseneinrichtung (1) und/oder eine Bauplattform (6) als Untergrund zum Auftragen den Materialstrangs (2) in der X-Richtung, Y-Richtung und/oder Z-Richtung beweglich sind und insbesondere die Düseneinrichtung (1) um einen Winkel in einem Bereich von größer 0° und bis zu 360° drehbar ist.