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CN111688203A - 具有材料突出部分的部件的增材制造的制造装置和方法 - Google Patents

具有材料突出部分的部件的增材制造的制造装置和方法 Download PDF

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CN111688203A
CN111688203A CN202010146106.8A CN202010146106A CN111688203A CN 111688203 A CN111688203 A CN 111688203A CN 202010146106 A CN202010146106 A CN 202010146106A CN 111688203 A CN111688203 A CN 111688203A
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京特·汉斯·格罗施
安德里亚斯·库斯克
巴斯·范登霍威尔
理查德·弗里奇
威尔伯特·赫明克
赖纳·拉克
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Abstract

本发明涉及用于增材制造部件(3)的制造装置(1)，每个部件(3)提供至少一个材料突出部分(2)，制造装置(1)具有至少一个建筑平台(4)，特定部件(3)至少可以部分地在建筑平台(4)上增材制造。为了降低材料消耗和制造增材制造部件(3)所需的时间，制造装置(1)具有至少一个优选电可控支撑装置(5)，电可控支撑装置(5)具有至少一个可移动的支撑臂(6)，在特定部件(3)在建筑平台(4)上面增材制造过程中，可移动的支撑臂(6)用于至少暂时地保持设置在支撑臂(6)上的至少一个支撑元件(7、11、12、13、14)。

Description

具有材料突出部分的部件的增材制造的制造装置和方法
技术领域
本发明涉及用于部件的增材制造的制造装置，每个部件具有至少一个材料突出部分，制造装置具有至少一个建筑平台，特定部件至少可以部分地在该建筑平台上增材制造。本发明还涉及用于部件的增材制造的方法，每个部件具有至少一个材料突出部分。
背景技术
词句“增材制造”包括用于例如由塑料或金属制造的具有高度复杂几何结构的部件的各种技术。部件的增材制造是通过分层构建部件来区别的。
如果要制造的部件旨在具有横向突出部分(材料突出部分)，横向突出部分设置在建筑平台上方并且距建筑平台有一距离，部件的底部直接在该建筑平台上形成，支撑结构(也就是说附加材料)通常必须设置在建筑平台上，材料突出部分的层累加地沉积在支撑结构上。
在这方面，支撑结构可以特别是同样通过增材制造用与要制造的部件相同的材料来制造或用不同的材料来制造。然而，在制造具有材料突出部分的部件之后，支撑结构或支撑结构的材料必须从完成的部件中移除。通常，几乎在所有具有复杂几何结构的部件的情况下这是必须的。
形成和移除特定的支撑结构延长制造部件所需的时间并且导致附加的材料消耗，附加的材料消耗可能是相当大的，取决于特定部件大小、特定生产导向和特定部件几何结构。由于制造时间的长度总是相关的并且制造材料是非常昂贵的，所以应该采取一切措施以减少制造时间和材料消耗以便降低制造成本。
专利文件US 9 555 582 B2公开用于在打印床上增材制造壁结构的增材制造方法，其中具有不沾表面的支撑件靠近壁结构或者在壁结构的里面定位，并且其中在一个或多个壁上并且在支撑件上累加制造材料层以创建材料突出部分。在构成材料突出部分的材料已经恢复到固态或已经变硬之后移除支撑件。
专利文件US 2017/0 355 141 A1公开通过增材材料沉积形成车型车身的装置。装置具有托架、用于在托架上通过材料的增材沉积构建车型车身的沉积单元以及具有工具架的工具托架，车型车身在托架上形成，沉积单元容纳在工具架中，其中工具托架以容纳在工具架中的沉积单元可以通过相对于托架移动工具架而在五个方向上对准这样的方式设计。
专利文件US 6 682 684 B1公开用于改进分层制造技术以改进物体的表面性质并且缩短支撑结构的制造时间的方法。在主材料沉积之后，在每一层上交替沉积表面改进材料，交替表面改进材料的边缘对应于先前沉积且固化的表面改进材料。提供可移除的支撑结构以便支撑主要材料的沉积。支撑结构为沉积材料提供支撑以形成型腔盖。
专利文件US 2016/0 250 808 A1公开用于使用3D打印机打印三维物体的方法，3D打印机沉积由打印材料制成的堆积层。每一层粘接至形成物体的堆积层中的另一层的至少一部分。提供由材料制成的支撑层，其中支撑层的至少一部分是用不粘材料覆盖的以减少打印材料与不粘材料的粘接并且减少打印材料与支撑层的粘接并且打印材料的层在支撑层上设置在支撑层的下面，包括用不粘材料覆盖的支撑层的一部分。
专利文件WO 2017/025 956 A1公开一种系统，系统具有3D打印机、用于计算打印物体的物体数据的处理器以及用于基于物体数据来控制在构建材料的层中的分配的控制器。3D打印机具有用于在构造物体的构建材料的层中选择性分配的分配单元和用于运送构造物体的分配材料的构建托盘。使用预先制造的支撑结构，其中通过预先制造的支撑结构进行物体的至少一部分的打印。
专利文件US 5 362 427 A公开在物品的形成过程中用于运送物品的至少一部分的装置。自粘附微粒源是通过微粒喷射装置等送往可控环境中的预先确定的位置以便形成物品。在可控环境中运送支撑结构以便在物品的形成过程中通过构建自粘附微粒来基本上严格地运送物品的至少一部分。支撑结构是液体，该液体对电荷反应变成固体并且对去除电荷反应而再次变成液体。
通过链接http://blogs.solidworks.com/tech/2015/07/get-started-3d-printing-solidworks-tips-3d-hubs-2.html可检索的公开以及通过链接https://www.makepartsfast.com/3-tips-on-optimizing-additive-support-structures/可检索的公开，两者都公开使用用于制造具有材料突出部分的部件的支撑结构。
发明内容
本发明是基于减少材料消耗以及制造增材制造部件所需的时间的目的。
根据本发明，目的是通过具有权利要求1的特征的制造装置来实现的，制造装置具有至少一个支撑装置，支撑装置具有至少一个可移动的支撑臂，在建筑平台上方的特定部件的增材制造过程中，可移动的支撑臂用于至少暂时地保持设置在支撑臂上的至少一个支撑元件。支撑装置的空间位置可以例如电控制。也可以说支撑装置是电可控支撑装置。
需要指出的是，在下面的描述中单独地具体说明的特征和措施可以以任何期望的技术上有意义的方式彼此结合并且公开本发明的更多实施例。描述特别是与附图结合，进一步地表征和具体说明本发明。
根据本发明的支撑装置，支撑装置例如可以形成为工业机器人，在部件的增材制造过程中使在建筑平台一侧支撑要制造的部件的一层或多层横向材料突出部分成为可能，其中层是使用液态制造材料一层接着一层并且一层在另一层上面地制造。支撑装置至少可以执行这种支撑直到制造材料已经充分地固化和/或充分地硬化和/或具有足够的厚度，以便在移除支撑之后该材料在其自己重量下不再塑性变形。支撑装置接着可以将支撑元件从至少部分完成的部件中移除并且将支撑元件移动到静止位置或移动到另一或不同的功能位置，以便能够相应地支撑部件的另一材料突出部分。也就是说，根据本发明，没有使用支撑结构，支撑结构或其材料必须从部件中移除并且稍后被处理。这减少材料消耗和制造增材制造部件所需的时间。
支撑元件可以通过根据本发明的支撑装置定位在相对于部件的任何期望数量的不同位置中，包括旋转位置，以便支撑元件可以用于制造具有很多种结构的部件。因此没有必要为每个部件几何结构制造和使用专用的支撑元件，这同样降低制造成本。此外，支撑元件相对于部件的该多功能可定位性也使实现具有材料突出部分的非常复杂的部件形式成为可能。此外，支撑元件与传统支撑结构相比可以用材料方面比较低的费用来制造，这进一步地提高支撑元件的可用性。
支撑装置可以通过制造装置的安装电子设备来控制，不需要操作人员的干预，例如在特定情况下依赖于与要制造的部件相关的结构数据。在这里，支撑装置可以具有一个或多个驱动装置，支撑臂可以通过该驱动装置如所需地移动。支撑臂可以是单构件、双构件或多构件形式，其中支撑臂构件可以以铰接的方式彼此连接。支撑臂可以在其自由端部分上具有至少一个用于保持支撑元件的保持单元，其中支撑元件通过保持单元优选可交换地连接至支撑臂。
根据本发明的制造装置具有至少一个用于将制造材料分层地沉积在建筑平台和支撑元件上的沉积单元。建筑平台可以具有平面或其他形式的工作表面，特定部件至少可以部分地在该工作表面上增材制造。建筑平台可以以位置固定或高度可调的方式设置。
根据一有利的实施例，支撑元件的表面至少部分地提供有抗粘附涂层。这防止支撑元件粘附至部件，粘附将使支撑元件从部件中移除更困难并且在移除支撑元件时将附加地与损坏部件的风险相关。
在另一有利的实施例中，支撑装置具有至少一个用于冷却支撑元件的冷却单元。这防止支撑元件升温，这将与支撑元件和部件之间形成的材料粘接连接的风险关联。此外，部件或部件的材料突出部分(材料突出部分在支撑元件上形成)通过与冷却的支撑元件接触而更快地冷却下来，因此材料突出部分以所需的形式更快地固化。冷却单元可以是被动形式(例如以物理地连接至支撑元件的散热器的形式)，或可以是主动形式，其中在后一种情况下支撑元件受限于冷却介质。冷却单元可以配置为在与制造材料接触之前专门冷却支撑元件。作为替代，冷却单元可以附加地冷却支撑元件或在其与部件接触时专门地冷却支撑元件。
根据另一有利的实施例，支撑元件具有平面、成角度或圆顶的板和/或表面结构。结果，支撑元件可以最佳地适合于以这种方式要制造的材料突出部分的特定形状。
根据另一有利的实施例，制造装置具有至少一个配备有不同形式的支撑元件的暗盒，其中支撑装置配置为以自动化的方式将特定支撑元件从暗盒中移除，并且将从暗盒中移除的支撑元件插入到暗盒中。结果，不同设计的支撑元件可以连接至支撑臂，以便能够容易地将制造装置适合特定使用情况。此外，支撑元件可以以自动化的方式交换，也就是说在没有操作人员干预的情况下交换。
在另一有利的实施例中，制造装置具有至少一个用于将金属制造材料分层地沉积到建筑平台上和支撑元件上的沉积单元。制造材料可以是或者可以包含纯金属或金属合金或塑料。
上述目的也是通过具有权利要求7的特征的方法来实现的，根据该方法至少一个支撑元件通过至少一个优选的电可控支撑装置至少暂时地保持在建筑平台上以在特定部件的增材制造过程中形成特定的材料突出部分，形成材料突出部分的制造材料至少在区域中沉积在建筑平台上。
上面关于制造装置陈述的优点相应地链接至方法。特别地，根据一个上面提到的实施例或至少两个该实施例彼此的组合的制造装置可以用于执行该方法。
根据一有利的实施例，支撑元件在部件的增材制造之前和/或在部件的增材制造过程中冷却。上面关于制造装置的相应实施例陈述的优点相应地链接至这个实施例。
在另一有利的实施例中，特定部件是通过将金属制造材料或塑料制造材料分层地沉积在建筑平台上和支撑元件上来制造的。上面关于制造装置的相应实施例陈述的优点相应地链接至该实施例。
附图说明
在从属权利要求和下面的附图描述中公开本发明的更多有利的实施例，在附图中：
图1显示在功能状态下的根据本发明的制造装置的示例性实施例的示意图；
图2显示在另一功能状态下的图1显示的制造装置的示意图，以及
图3显示根据本发明的制造装置的另一示例性实施例的具有不同形式的五个支撑元件。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的部分总是具有相同的附图标记并且因此通常也仅描述一次。
图1显示在功能状态下的根据本发明的用于部件3的增材制造的制造装置1的示例性实施例的示意图，每个部件3具有至少一个材料突出部分2。
制造装置1具有建筑平台4，特定部件3至少可以部分地在该建筑平台4上增材制造。建筑平台4形成为平面制造工作台。
此外，制造装置1具有支撑装置5，支撑装置5的空间位置可以例如电控制。如图1和2所示，支撑装置5可以被称为电可控支撑装置5并且具有可移动的支撑臂6，在建筑平台4上面的特定部件3的增材制造过程中，可移动的支撑臂6用于至少暂时地保持设置在支撑臂6上的至少一个支撑元件7。通过示例，支撑元件7形成为平面矩形板并且具有表面8，表面8可以至少部分地提供抗粘附涂层(未示出)。支撑装置5可以具有至少一个用于冷却支撑元件7的冷却单元(未示出)。
此外，制造装置1具有沉积单元9，沉积单元9用于将金属制造材料10或塑料制造材料分层地沉积在建筑平台4和支撑元件7上。在如图1所示的制造装置1的功能位置上，支撑元件7通过支撑装置5在部件3上保持在水平位置。
此外，制造装置1可以具有至少一个配备有不同形式的支撑元件(未示出)的暗盒(未示出)，其中支撑装置5可以配置为以自动化的方式将特定支撑元件从暗盒移除并且将从暗盒移除的支撑元件重新插入到暗盒中。
图2显示在另一功能状态下的在图1中显示的制造装置1的示意图。这个功能状态与图1中显示的功能状态的不同之处在于支撑元件7不是水平地设置而是以倾斜的方式设置。为了避免重复，在其他方面参考上面关于图1的描述。
图3显示根据本发明的制造装置的另一示例性实施例的不同形式的支撑元件(未示出)，在图3中仅显示制造装置的支撑装置5的支撑臂6和特定支撑元件7、11、12、13或14。支撑元件7以及11到14可以通过支撑装置5插入到制造装置的暗盒(未示出)中或通过支撑装置5从制造装置的暗盒(未示出)中移除。
支撑元件7对应于在图1和2中显示的示例性实施例，因此，为了避免重复而参考上面关于图1和2的描述。支撑元件11形成为中凸圆顶板。支撑元件12具有波浪形式。支撑元件13形成为具有椭圆底面的圆柱体。支撑元件14具有半圆形的形式。
附图标记列表：
1 制造装置
2 材料突出部分
3 部件
4 建筑平台
5 支撑装置
6 支撑臂
7 支撑元件
8 7的表面
9 沉积单元
10 制造材料
11 支撑元件
12 支撑元件
13 支撑元件
14 支撑元件

Claims (9)

1.一种用于增材制造部件(3)的制造装置(1)，每个所述部件(3)提供有至少一个材料突出部分(2)，所述制造装置(1)具有至少一个建筑平台(4)，特定部件(3)至少可以部分地在所述建筑平台(4)上增材制造，
其特征在于，
所述制造装置(1)包括具有至少一个可移动的支撑臂(6)的至少一个支撑装置(5)，在所述建筑平台(4)上面的所述特定部件(3)的增材制造过程中，所述可移动的支撑臂(6)用于至少暂时地保持设置在所述支撑臂(6)上的至少一个支撑元件(7、11、12、13、14)。
2.根据权利要求1所述的制造装置(1)，
其特征在于，
所述支撑元件(7、11、12、13、14)的表面(8)至少部分地提供有抗粘附涂层。
3.根据权利要求1或2所述的制造装置(1)，
其特征在于，
所述支撑装置(5)具有至少一个用于冷却所述支撑元件(7、11、12、13、14)的冷却单元。
4.根据上述权利要求中任一项所述的制造装置(1)，
其特征在于，
所述支撑元件(7、11、12、13、14)具有平面、成角度或圆顶的板和/或表面结构。
5.根据上述权利要求中任一项所述的制造装置(1)，
其特征在于，
所述制造装置(1)包括至少一个暗盒，所述至少一个暗盒配备有不同形式的支撑元件(7、11、12、13、14)，其中所述支撑装置(5)配置为以自动化的方式将特定支撑元件(7、11、12、13、14)从所述暗盒中移除并且将从所述暗盒中移除的所述支撑元件(7、11、12、13、14)插入到所述暗盒中。
6.根据上述权利要求中任一项所述的制造装置(1)，
其特征在于，
所述制造装置(1)包括至少一个沉积单元(9)，所述至少一个沉积单元(9)用于将金属制造材料(10)或塑料制造材料(10)分层地沉积到所述建筑平台(4)和所述支撑元件(7、11、12、13、14)上。
7.一种用于特别地通过根据上述权利要求中任一项所述的制造装置增材制造部件(3)的方法，每个所述部件(3)提供有至少一个材料突出部分(2)，
其特征在于，
至少一个支撑元件(7、11、12、13、14)通过至少一个支撑装置(5)至少暂时地保持在建筑平台(4)上以在特定部件(3)的增材制造过程中形成特定材料突出部分(2)，形成所述材料突出部分(2)的制造材料(10)至少在区域中沉积在所述建筑平台上。
8.根据权利要求7所述的方法，
其特征在于，
所述支撑元件(7、11、12、13、14)在所述部件(3)的增材制造之前和/或在所述部件(3)的增材制造过程中冷却。
9.根据权利要求7或8所述的方法，
其特征在于，
所述特定部件(3)是通过将所述金属制造材料(10)或塑料制造材料(10)分层地沉积在所述建筑平台(4)上和所述支撑元件(7、11、12、13、14)上来制造的。
CN202010146106.8A 2019-03-11 2020-03-05 具有材料突出部分的部件的增材制造的制造装置和方法 Pending CN111688203A (zh)

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