DE102019131218A1

DE102019131218A1 - 3D-Drucker

Info

Publication number: DE102019131218A1
Application number: DE102019131218.3A
Authority: DE
Inventors: Johannes Karl; Thomas Frank Czwielong; Frank Heimbert Kulke
Original assignee: REICHENBACHER HAMUEL GmbH
Current assignee: REICHENBACHER HAMUEL GmbH
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Ein 3D-Drucker zum Herstellen dreidimensionaler Objekte durch schichtweises Aufbringen und Verfestigen von Aufbaumaterial, mit einer Baukammer, die aufweist einen Bauraum, der horizontal von Baukammerwänden begrenzt ist, und eine Bauplattform, die zwischen den Baukammerwänden angeordnet ist, an diese angrenzt, vertikal verfahrbar ist und die das aufzubauende Objekt trägt, und mit einer Prozesskammer, die aufweist eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbringen des Aufbaumaterials auf die Bauplattform bzw. die vorherige Schicht aus Aufbaumaterial und eine Vorrichtung zum Verfestigen der jeweils aufgebrachten Schicht aus Aufbaumaterial an vorgegebenen Stellen, wobei die Prozesskammer über der Baukammer angeordnet ist und der Bauraum mit seinem oberen Ende in die Prozesskammer mündet, weist auf einen Reinigungsraum, der sich horizontal seitlich an mindestens eine Baukammerwand anschließt; eine Verstelleinrichtung, mit der diese mindestens eine Baukammerwand von einer ersten Position, in der sie den Bauraum und den Reinigungsraum voneinander trennt, in eine zweite Position, in der sie den Bauraum zum Reinigungsraum hin öffnet, sodass der Bauraum vom Reinigungsraum aus zugänglich ist, und umgekehrt verstellbar ist; eine Reinigungseinrichtung, die in dem Reinigungsraum angeordnet und dazu eingerichtet ist, bei geöffnetem Bauraum überschüssiges Aufbaumaterial aus dem Bauraum zu entfernen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen 3D-Drucker gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein solcher 3D-Drucker ist beispielsweise in der DE 102014010930A1 beschrieben. Der schichtweise Aufbau wird innerhalb des Bauraums vollzogen, in dem die Bauplattform im Bauraum schrittweise nach unten getaktet wird. Die Bauplattform ist entweder in eine vertikal verfahrbare Trägervorrichtung integriert oder eine separate Bauplattform, die auf der Trägervorrichtung aufgesetzt ist.
Das Aufbaumaterial kann insbesondere ein Pulver sein, z. B. beim SLM(Selective Laser Melting)-Verfahren oder beim EBM(Electron Beam Melting)-Verfahren oder beim 3DP(3D Printing)-Verfahren. Es können aber auch Flüssigkeiten (SLA) eingesetzt werden, bekannt als Stereolithographie- oder auch SLA-Verfahren. Das jeweilige Aufbaumaterial kann durch elektromagnetische oder Lichtwellen-Strahlung verhärtet oder durch partiell aufgetragene Bindemittel verbunden werden.
Wenn die Baukammer fest in dem 3D-Drucker eingebaut ist, wird das Objekt nach dem Herstellen auf der Bauplattform wieder nach oben in die Prozesskammer gefahren, wodurch auch restliches bzw. überschüssiges Aufbaumaterial in die Prozesskammer gelangt. Die Reinigung wird hierdurch sehr aufwändig.
Auch bekannt sind 3D-Drucker, bei denen die Baukammer während des Bauprozesses temporär mit der Maschine fest verbunden ist. Die Baukammer wird nach dem Bauprozess zusammen mit der Bauplattform und der zugehörigen erfahrbaren Trägervorrichtung sowie dem im Bauraum befindlichen Objekt und überschüssigen Aufbaumaterial aus dem 3D-Drucker entnommen. Diese Entnahme kann sowohl manuell wie auch automatisch erfolgen, erfordert aber immer einen anschließenden Separierungs- und Reinigungsprozess.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen gattungsgemäßen 3D-Drucker so zu verbessern, dass mit ihm die Objekte wirtschaftlicher hergestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem 3D-Drucker der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen können der Reinigungsaufwand, insbesondere die erforderliche Reinigungszeit und damit die Vorbereitungszeit für das Herstellen des nächsten Objektes, sowie die Beanspruchung der Einbauten eines 3D-Druckers deutlich reduziert werden. Dadurch, dass sich horizontal seitlich an mindestens eine Baukammerwand ein Reinigungsraum anschließt und diese Baukammerwand verstellbar ist, sodass sie entweder den Bauraum und den Reinigungsraum voneinander trennt oder den Bauraum zum Reinigungsraum hin öffnet, und dass in dem Reinigungsraum angeordnete Reinigungseinrichtungen bei geöffnetem Bauraum überschüssiges Aufbaumaterial aus dem Bauraum entfernen können, ist eine automatische Reinigung des 3D-Druckers möglich, was zum einen den Arbeits- und Zeitaufwand für die Reinigung deutlich reduziert und darüber hinaus den Bediener des 3D-Druckers schützt. Darüber hinaus können auch die weiteren Bearbeitungsschritte des gedruckten Objektes leichter automatisiert bzw. das Handling von gedruckten Objekten vereinfacht werden. Nach dem Reinigen kann die Bauplattform entweder wieder nach oben in die Prozesskammer gefahren werden oder unterhalb dieser entnommen werden. Die Entnahme besonders unterhalb der Prozesskammer kann hierbei leicht automatisiert werden, da in diesem Bereich keine weiteren für den Bauprozess notwendigen technischen Einrichtungen angeordnet sein müssen. Zudem ist in Z-Richtung eine theoretisch unendliche Bauhöhe möglich. Bisher musste das Objekt nach dem Bauen meistens in die Prozesskammer zurückgefahren werden. Die Höhe der Prozesskammer ist aber durch die Reichweite der Aktoren (Laser, UV-Licht) begrenzt, was wiederum die Bauhöhe begrenzt. Da die Reinigung außerhalb der Prozesskammer stattfindet, wird auch weniger Verschmutzung in die Prozesskammer getragen. Dort ist der überwiegende Teil der Mechanik und der Optiken angeordnet. Diese werden somit durch die geringere Menge an anfallenden Schmutz sowie an erforderlichen Reinigungsarbeiten geschont.
Vorzugsweise ist die Verstelleinrichtung dazu eingerichtet, diese mindestens eine Baukammerwand vertikal oder horizontal zu verschieben oder zu schwenken.
In einer anderen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weist diese mindestens eine Baukammerwand ein Oberteil und ein Unterteil auf und ist die Verstelleinrichtung dazu eingerichtet, das Oberteil nach oben und das Unterteil nach unten zu verschieben.
Es ist auch daran gedacht, diese mindestens eine Baukammerwand aus mindestens zwei Teilen zu bilden, die teleskopartig ineinander verschiebbar sind, wobei die Verstelleinrichtung dazu eingerichtet ist, diese Teile entsprechend zu verschieben.
Denkbar ist es auch, dass diese mindestens eine Baukammerwand aus flexiblem Material hergestellt ist und die Verstelleinrichtung dazu eingerichtet ist, diese Baukammerwand faltenbalgförmig zusammenzufalten oder mittels Reißverschluss zu öffnen.
Sämtliche vorgenannten Ausführungsbeispiele für Verstellmöglichkeiten sind konstruktiv einfache Lösungen. Die Verstellung kann hierbei durch einen eigenen Antrieb innerhalb des 3D-Druckers (z. B. pneumatisch, hydraulisch oder elektromotorisch) oder durch einen externen Manipulator (z. B. durch ein Handlingsgerät) ausgeführt werden.
Vorteilhafterweise schließt sich der Reinigungsraum horizontal an zwei oder mehr einander gegenüberliegende Baukammerwände an und ist die Verstelleinrichtung dazu eingerichtet, diese zwei oder mehr Baukammerwände jeweils von der ersten Position in die zweite Position zu verstellen, sodass der Bauraum gleichzeitig von zwei oder mehr Seiten vom Reinigungsraum aus zugänglich ist. Mit diesen Maßnahmen können die Reinigungseinrichtungen gleichzeitig von zwei oder mehr Seiten auf den Bauraum zugreifen, sodass die Reinigungszeit verkürzt und dabei eine noch gründlichere Reinigung möglich ist.
In einer günstigen Weiterbildung der Erfindung weist die Reinigungseinrichtung mindestens eine Düse zum Abblasen und mindestens eine Düse zum Absaugen von überschüssigem Aufbaumaterial auf. Mit diesen Maßnahmen wird zum einen eine besonders einfache und daher kostengünstige Reinigungseinrichtung gebildet und zum anderen trotzdem eine sehr effektive Reinigung des Objektes und des gesamten Bauraumes erzielt.
Dabei sind vorzugsweise die mindestens eine Düse zum Abblasen und die mindestens eine Düse zum Absaugen auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Die Effektivität der Reinigung wird hierdurch noch einmal gesteigert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Reinigungseinrichtung mindestens eine Transporteinrichtung auf, die überschüssiges Aufbaumaterial, das aus dem Bauraum entfernt wurde, aus dem Reinigungsraum herausführt. Über eine solche Transporteinrichtung kann das überschüssige Aufbaumaterial dem Herstellungsprozess wieder zugeführt werden.
Vorzugsweise weist die Transporteinrichtung einen Absaugtrichter auf, der im Boden des Reinigungsraumes angeordnet ist, und /oder einen Förderer auf. Mit diesen Maßnahmen ist es auf einfache Weise möglich, das aus dem Bauraum entfernte überschüssige Aufbaumaterial auch aus dem Reinigungsraum zu entfernen und dem Herstellungsprozess wieder zuzuführen.
In einer günstigen Weiterbildung der Erfindung ist bei geöffnetem Bauraum die Bauplattform um eine horizontale Achse schwenkbar und /oder um eine vertikale Achse drehbar. Mit diesen Maßnahmen ist es möglich, das überschüssige Aufbaumaterial von der Bauplattform abrutschen zu lassen.
Ferner kann der 3D-Drucker eine Vibrationseinrichtung aufweisen, mit der die Bauplattform bei geöffnetem Bauraum in Vibrationen versetzbar ist. Der Abtransport von überschüssigem Aufbaumaterial wird hierdurch weiter gefördert.
Vorzugsweise ist der Bauraum zu seiner Reinigung mit einem Schott zur Prozesskammer hin verschließbar. Auf diese Weise wird vermieden, dass durch die Reinigung des Bauraums möglicherweise Schmutzpartikel vom Bauraum in die Prozesskammer getragen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:

1 in einer Vertikalansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen 3D-Druckers, wobei die Baukammerwände in ihrer ersten Position sind; und
2 bis 6 das Ausführungsbeispiel aus 1 mit jeweils unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für die zweite Position der verstellbaren Baukammerwände.

Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer 3D-Drucker 1 weisen eine Baukammer 2, eine Prozesskammer 3 sowie einen Reinigungsraum 4 auf.
Die Baukammer 2 weist einen Bauraum 5 auf, der horizontal von Baukammerwänden 6 begrenzt ist und zwischen denen eine Bauplattform 7 vertikal verfahrbar ist. Die Bauplattform 7 grenzt an die Baukammerwände 6 an und trägt das aufzubauende Objekt 8.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Bauplattform 7 auf eine Trägervorrichtung 9 aufgesetzt, von der sie vertikal verfahren wird. Die Bauplattform 7 kann aber auch in die Trägervorrichtung 9 fest integriert sein, d.h. fest mit dieser verbunden sein.
Das obere Ende 10 der Baukammer 2 bzw. des Bauraums 5 ist zumindest während des Aufbaus des Objektes 8 offen. Zur Reinigung des Bauraums 5 kann dieser mittels eines Schottes zur Prozesskammer 3 hin verschließbar sein
Die Prozesskammer 3 ist über der Baukammer 2 angeordnet, wobei der Bauraum 5 mit seinem oberen, offenen Ende 10 in die Prozesskammer 3 mündet.
In der Prozesskammer 3 ist eine Vorrichtung 11 zum schichtweisen Aufbringen des Aufbaumaterials 12 auf die Bauplattform 7 bzw. die vorherige Schicht aus Aufbaumaterial 12 angeordnet. Ferner ist in der Prozesskammer 3 eine Vorrichtung 13 angeordnet, die die jeweils aufgebrachte Schicht aus Aufbaumaterial 12 an vorgegebenen Stellen verfestigt, im dargestellten Ausführungsbeispiel durch Strahlung 14, beispielsweise elektromagnetisch oder mittels Lichtwellen.
Unter der Prozesskammer 3, seitlich neben der Baukammer 2 ist der Reinigungsraum 4 angeordnet, der sich an Baukammerwände 6 anschließt.
Diese Baukammerwände 6 können von einer ersten Position 15, in der sie den Bauraum 5 und den Reinigungsraum 4 voneinander trennen, in eine zweite Position 16, in der sie den Bauraum 5 zum Reinigungsraum 4 hin öffnen, so dass der Bauraum 5 vom Reinigungsraum 4 aus zugänglich ist, und zurück verstellt werden
Diese Verstellungen erfolgen mittels jeweiliger Verstelleinrichtungen 17, die unter anderem entsprechende (nicht dargestellte) Aktuatoren, Aufnahmeräume für die Baukammerwände 6 in ihren verstellten, zweiten Positionen 16 und (nicht dargestellte) Gelenke und Dichtungen an den verstellbaren Baukammerwänden 6 aufweisen. Der (nicht dargestellte) Antrieb kann durch einen eigenen Antrieb innerhalb des 3D-Druckers 1 -beispielsweise pneumatisch, hydraulisch oder elektromotorisch- oder durch einen externen Manipulator -beispielsweise durch ein Handlingsgeräterfolgen.
In dem Reinigungsraum 4 ist eine Reinigungseinrichtung 18 angeordnet, mit der überschüssiges Aufbaumaterial 19 bei zum Reinigungsraum 4 hin geöffnetem Bauraum 5 vom Objekt 8 und von der Bauplattform 7 entfernt werden kann.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind in dem Reinigungsraum 4 vertikal übereinander Düsen 20 angeordnet, mit denen bei geöffneten Baukammerwänden 6 überschüssiges Aufbaumaterial 19 von dem fertiggestellten Objekt 8 und von der Bauplattform 7 abgeblasen werden können. Ferner sind in diesem Beispiel in dem Reinigungsraum 4 auf einer den Düsen 20 zum Abblasen gegenüberliegenden Seite Düsen 21 zum Absaugen von überschüssigem Aufbaumaterial 19 angeordnet.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist im Boden des Reinigungsraums 4 ein Absaugtrichter 22 sowie auf dem Boden ein Förderer 23 angeordnet. Absaugtrichter 22 und Förderer 23 sind Transporteinrichtungen 24, mit denen überschüssiges Aufbaumaterial 19, das aus dem Bauraum 5 entfernt worden ist und sich dann im Reinigungsraum 4 befindet, aus diesem abtransportiert und dem Herstellungsprozess erneut zugeführt werden kann. Dabei transportiert der Absaugtrichter 22 überschüssiges Aufbaumaterial 19 in den dargestellten Ausführungsbeispielen vertikal und der Förderer 23 horizontal aus dem Reinigungsraum 4 heraus.
In den 2 bis 6 sind beispielhaft Möglichkeiten für eine Verstellung von Baukammerwänden 6 von der ersten in die zweite Position dargestellt.
Gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel können die verstellbaren Baukammerwände 6 vertikal nach unten in unterhalb des Reinigungsraums 4 angeordnete Aufnahmen für diese Baukammerwände 6 verfahren werden, um den Bauraum 5 zum Reinigungsraum 4 hin zu öffnen. Soll der Bauraum 5 vom Reinigungsraum 4 wieder getrennt werden, werden die Baukammerwände 6 aus diesen Aufnahmen wieder nach oben verfahren.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel können die verstellbaren Baukammerwände 6 nach oben in die Prozesskammer 3 verfahren werden, um den Bauraum 5 zum Reinigungsraum 4 hin zu öffnen, und von dort aus wieder nach unten verfahren werden, um diese Baukammerwände 6 wieder in die erste Position 15 zu bringen, in der sie den Bauraum 5 von dem Reinigungsraum 4 trennen.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die verstellbaren bzw. verfahrbaren Baukammerwände 6 horizontal geteilt, wobei der untere Teil wie in 2 nach unten und der obere Teil wie in 3 nach oben verfahren werden kann.
In 5 ist dargestellt, dass die verstellbaren Baukammerwände 6 horizontal verfahrbar sind. Um den Bauraum 5 zum Reinigungsraum 4 hin zu öffnen, werden diese Baukammerwände 6 horizontal nach außen verfahren. Um den Bauraum 5 wieder von dem Reinigungsraum 4 zu trennen, werden diese Baukammerwände 6 wieder nach innen zum Bauraum 5 hin verfahren.
Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Schwenkbewegung der verstellbaren Baukammerwände 6 dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft das jeweilige Schwenkgelenk horizontal im Randbereich der Öffnung 10 zwischen Bauraum 5 und Prozesskammer 3. In ihrer ersten Position 15, in der sie den Bauraum 5 und den Reinigungsraum 4 voneinander trennen, sind die verstellbaren Baukammerwände 6 in einer vertikalen Position. In ihrer zweiten Position 16, in der sie den Bauraum 5 zum Reinigungsraum 4 hin öffnen, sind diese Baukammerwände 6 in eine horizontale Position parallel zur Decke des Reinigungsraums 4 geschwenkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014010930 A1 [0002]

Claims

3D-Drucker zum Herstellen dreidimensionaler Objekte durch schichtweises Aufbringen und Verfestigen von Aufbaumaterial, mit - einer Baukammer, die aufweist - einen Bauraum, der horizontal von Baukammerwänden begrenzt ist, und - eine Bauplattform, die zwischen den Baukammerwänden angeordnet ist, an diese angrenzt, vertikal verfahrbar ist und die das aufzubauende Objekt trägt, und mit - einer Prozesskammer, die aufweist - eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbringen des Aufbaumaterials auf die Bauplattform bzw. die vorherige Schicht aus Aufbaumaterial und - eine Vorrichtung zum Verfestigen der jeweils aufgebrachten Schicht aus Aufbaumaterial an vorgegebenen Stellen, - wobei die Prozesskammer über der Baukammer angeordnet ist und der Bauraum mit seinem oberen Ende in die Prozesskammer mündet, gekennzeichnet durch - einen Reinigungsraum (4), der sich horizontal seitlich an mindestens eine Baukammerwand (6) anschließt; - eine Verstelleinrichtung (17), mit der diese mindestens eine Baukammerwand (6) von einer ersten Position (15), in der sie den Bauraum (5) und den Reinigungsraum (4) voneinander trennt, in eine zweite Position (16), in der sie den Bauraum (5) zum Reinigungsraum (4) hin öffnet, sodass der Bauraum (5) vom Reinigungsraum (4) aus zugänglich ist, und umgekehrt verstellbar ist; - eine Reinigungseinrichtung (18), die in dem Reinigungsraum (4) angeordnet und dazu eingerichtet ist, bei geöffnetem Bauraum (5) überschüssiges Aufbaumaterial (19) aus dem Bauraum (5) zu entfernen.
3D-Drucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, die mindestens eine Baukammerwand (6) vertikal oder horizontal zu verschieben oder zu verschwenken.
3D-Drucker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens eine Baukammerwand (6) ein Oberteil und ein Unterteil aufweist und die Verstelleinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, das Oberteil nach oben und das Unterteil nach unten zu verschieben.
3D-Drucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens eine Baukammerwand (6) aus mindestens zwei Teilen gebildet ist, die teleskopartig ineinander verschiebbar sind, und dass die Verstelleinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, diese Teile entsprechend zu verschieben.
3D-Drucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens eine Baukammerwand (6) aus flexiblem Material hergestellt ist und die Verstelleinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, diese Baukammerwand (6) faltenbalgförmig zusammenzufalten oder mittels Reißverschluss zu öffnen.
3D-Drucker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsraum (4) sich horizontal an mindestens zwei einander gegenüberliegende Baukammerwände (6) anschließt und die Verstelleinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, diese mindestens zwei Baukammerwände (6) jeweils von der ersten Position (15) in die zweite Position (16) zu verstehen, sodass der Bauraum (5) gleichzeitig von mindestens zwei Seiten vom Reinigungsraum (4) aus zugänglich ist.
3D-Drucker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungseinrichtung (18) mindestens eine Düse (20) zum Abblasen und mindestens eine Düse (21) zum Absaugen von überschüssigem Aufbaumaterial aufweist.
3D-Drucker nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Düse (20) zum Abblasen und die mindestens eine Düse (21) zum Absaugen auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind.
3D-Drucker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungseinrichtung (18) mindestens eine Transporteinrichtung (24) aufweist, die überschüssiges Aufbaumaterial (19), das aus dem Bauraum (5) entfernt wurde, aus dem Reinigungsraum (4) herausführt.
3D-Drucker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung (24) einen Absaugtrichter (22) aufweist, der im Boden des Reinigungsraumes (4) angeordnet ist, und/oder einen Förderer (23) aufweist.
3D-Drucker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei geöffnetem Bauraum (5) die Bauplattform (7) um eine horizontale Achse schwenkbar und/oder um eine vertikale Achse drehbar ist.
3D-Drucker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vibrationseinrichtung, mit der die Bauplattform (7) bei geöffnetem Bauraum (5) in Vibrationen versetzbar ist.
3D-Drucker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauraum (5) zu seiner Reinigung mit einem Schott zur Prozesskammer (3) hin verschließbar ist.