DE102019007863A1

DE102019007863A1 - Partikelmaterialvorwärmvorrichtung und Verwendung in 3D-Verfahren

Info

Publication number: DE102019007863A1
Application number: DE102019007863.2A
Authority: DE
Inventors: Christoph Hoppmann; Roman Scheller; Ingo Ederer
Original assignee: Voxeljet AG
Current assignee: Voxeljet AG
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2021-05-20
Also published as: WO2021093911A1; CN114728471A; US20220379553A1; EP4058269A1; US12552095B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von 3D-Formteilen, wobei ein Vorwärmbehälter verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Vorwärmebehälter und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von 3D-Formteilen, die einen Vorwärmbehälter nutzen.
In der europäischen Patentschrift EP 0 431 924 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Computerdaten beschrieben. Dabei wird ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht mittels Beschichter (Recoater) auf eine Plattform aufgetragen und dieses selektiv mittels eines Druckkopfes mit einem Bindermaterial bedruckt. Der mit dem Binder bedruckte Partikelbereich verbindet und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen Härters. Anschließend wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt oder die Beschichter- /Druckkopfeinheit angehoben und eine neue Schicht Partikelmaterial aufgetragen, die ebenfalls, wie oben beschrieben, selektiv bedruckt wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis die gewünschte Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt (3D-Bauteil, Formteil).
Dieses aus verfestigtem Partikelmaterial hergestellte Objekt ist nach seiner Fertigstellung in losem Partikelmaterial eingebettet und wird anschließend davon befreit. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Saugers. Übrig bleiben danach die gewünschten Objekte, die dann vom Restpulver, z.B. durch Abbürsten, weiter gesäubert werden.
In ähnlicher Weise arbeiten auch andere Pulver-gestützte Rapid-Prototyping-Prozesse, wie z.B. das selektive Lasersintern oder das Elektron-Beam-Sintern bei denen jeweils ebenso ein loses Partikelmaterial schichtweise ausgebracht und mit Hilfe einer gesteuerten physikalischen Strahlungsquelle selektiv verfestigt wird.
Im Folgenden werden alle diese Verfahren unter dem Begriff dreidimensionale Druckverfahren oder 3D-Druckverfahren zusammengefasst.
In einigen Fällen werden die Partikelmaterialien im 3D Drucker auf eine vorbestimmte Temperatur über der Umgebungstemperatur erwärmt, um bestimmte Effekte im Bauprozess zu bewirken. Unter anderem kann es erforderlich sein, dass das Partikelmaterial auf eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur gebracht wird, bevor es in einem weiteren selektiven Bestrahlungsschritt an den gewünschten Stellen über eben jene Schmelztemperatur gebracht wird und sich dort miteinander verbindet. Ein solches Verfahren wird z.B. in der DE102005022308B4 beschrieben. Allerdings wird hier das Partikelmaterial im Beschichter selbst erwärmt, wobei zumindest ein Teil eines Heizelements in den Seitenwänden oder der Beschichterklinge zumindest teilweise integriert ist. Dies hat den Nachteil, dass die Wärmeübertragung einen Gradienten hat und somit nicht so effizient ist. Außerdem ist die Verweildauer des Partikelmaterials im Beschichter relativ kurz, sodass die Zieltemperatur nicht oder nur teilweise erreicht wird und dabei auch ein Temperaturgradient im Partikelmaterial auftritt, abhängig davon, ob das Partikelmaterial nahe an der Wand des Beschichters oder weiter davon entfernt war. Eine Lösung wie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben wird hierin weder offenbart noch nahegelegt.
Das in der DE102013004940A1 beschriebene Verfahren nutzt anstelle eines Lasers einen IR-Absorber, der auf das vorgeheizte Partikelmaterial aufgedruckt wird und eine weitere Strahlungsquelle, die selektiv die Bereiche des Partikelmaterials über die Schmelztemperatur erwärmt, die zuvor bedruckt wurden. Eine Lösung wie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben wird hierin weder offenbart noch nahegelegt.
Bei dem in der DE102015006363A1 gezeigten Verfahren benötigt ein über einen Druckkopf in feinen Tröpfchen aufgedruckter flüssiger Binder eine bestimmte Temperatur, um auszuhärten und die gewünschten Formteile im Partikelbett zu bilden. Diese Temperatur wird vorteilhafterweise über Wärmeleitung durch das Partikelmaterial in den Binder eingebracht. Denn der Binder wird mit zunehmender Temperatur aushärten und erhöht damit die Viskosität. Dies soll auf keinen Fall im Druckkopf passieren, da das Aushärten des Binders dort zum Ausfall der Düsen und damit eventuell zum Versagen des Druckkopfes führen würde. Der Binder muss deshalb im Druckkopf bei möglichst konstanter Temperatur dosiert werden, die weit genug entfernt von der Aushärtetemperatur liegt. Auf dem Baufeld angekommen muss dann allerdings sichergestellt werden, dass der Binder ausreichend schnell aushärtet. Denn die Erhöhung der Viskosität aufgrund der Aushärtung des Binders führt dazu, dass eine eventuelle Migrationsbewegung der Bindertropfen im Partikelbett aufgrund Kapillarkräfte oder Schwerkraft verlangsamt wird. Damit steigen die Auflösung und Genauigkeit der gedruckten Formteile mit zunehmender Temperatur des Binders. Eine Lösung wie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben wird hierin weder offenbart noch nahegelegt.
Bei den gezeigten Verfahren wird die Temperatur über verschiedene Wege in das Partikelmaterial eingebracht. Eine Möglichkeit besteht darin, das Baufeld mit dem frisch für eine Schicht ausgestrichenen Partikelmaterial zu bestrahlen. Die Bestrahlung erfolgt üblicherweise mit Infrarotstrahlung, die z.B. über einen Heizwendelstrahler eingebracht wird. Damit dies funktioniert, muss das Partikelmaterial eine gute Einkopplung der Wellenlänge garantieren.
Zudem muss zwischen den Partikeln eine Möglichkeit zur Wärmeleitung gegeben sein, da eine Schicht üblicherweise aus mehreren Lagen Partikel übereinander besteht und die Strahlung aufgrund von Abschattungseffekten nicht alle Partikel erreicht. Ansonsten blieben Partikel am unteren Ende der aktuellen Lage auf der Eingangstemperatur.
In der Regel kommt ein erheblicher Anteil der Strahlungsenergie nicht im Partikelmaterial an, sondern erwärmt die Prozessraumatmosphäre, die Umhausung des Prozessraums und andere Komponenten, die sich im Prozessraum befinden. Das kann dazu führen, dass der Prozessraum über eine Klimatisierung verfügen muss, um die Temperatur der Prozessraumatmosphäre auf einem konstanten Niveau zu halten. Im Fall eines Binder-Jetting Gerätes sollte die Temperatur der Prozessraumatmosphäre 60°C nicht überschreiten; entsprechend hoch kann die erforderliche Kühlleistung des Klimagerätes sein. Das führt zu einer Ineffizienz, weil auf der einen Seite Energie für die Strahlung zur Verfügung gestellt werden muss und auf der anderen Seite Teile dieser Energie wieder aufwändig an die Umgebung abgeführt werden müssen.
Ein weiterer Nachteil der Strahlungserwärmung liegt in der möglichen Abschattung der Strahlungsquelle durch im Prozessraum verfahrende Baufeldwerkzeuge. Dies führt dazu, dass die Einwirkzeit einer Strahlungsquelle in der Regel kürzer als die Prozesszeit einer Schicht ist. Entsprechend hoch muss die Leistung einer geeigneten Strahlungsquelle sein und entsprechend hoch sind auch die Energie-Verluste.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Beheizung von Kontaktflächen zum Pulver wie in der DE102005022308B4 gezeigt. Hier wird das Partikelmaterial dann über die Wärmeleitung z.B. im Recoater erwärmt. Auf diese Weise können auch weitere Partikelmaterial-führende Bauteile des Druckers wie z.B. die Bauplattform und die Job-Box beheizt sein. Als Heizungen bieten sich elektrische Widerstandsheizungen an, aber auch andere Bauformen wie z.B. eine Beheizung über Zirkulation von temperierten Flüssigkeiten in Fluidleitungen in den zu beheizenden Flächen sind möglich.
Nachteilig wirkt sich hier wiederum aus, dass Partikelmaterialschüttungen in der Regel eine deutlich schlechtere Wärmeleitung aufweisen, als das Ursprungsmaterial. Dies liegt an der kleinen Kontaktfläche zwischen den einzelnen Partikeln und der Füllung der Zwischenräume im Pulver mit der wenig wärmeleitenden Luft.
Entsprechend erwärmt sich eine Partikelmaterialschüttung bei Wärmezufuhr von außen mit zunehmendem Abstand von der Wärmequelle langsamer. Dies führt zu ungewollten Temperaturgardienten in der Schüttung, die im schlimmsten Fall zu Prozessproblemen wie Bauteil-Verzug, Maßabweichungen oder aber Prozessfehlern wie fehlende Bindung führen können.
Zudem ist die Erwärmung von Partikelmaterial im Recoater problematisch, da die Verweildauer des Partikelmaterials generell gering und nur wenige Schichtzyklen lang ist. Außerdem kann es in Folge des Schichtauftrages und des damit verbundenen Pulverabflusses im Beschichter zum Austrag von nicht erwärmten Partikelmaterial kommen.
Nicht zuletzt ist die Einbringung von Heizelementen mit ausreichender Leistung in einem Beschichter, der sich über das Baufeld bewegen soll, relativ komplex und macht die Vorrichtung vergleichsweise schwer und teuer.
Einige Nachteile dieser Konstruktion wurden auch schon weiter oben beschrieben. Es kann somit festgestellt werden, dass die DE102005022308B4 eine Lösung wie sie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben wird weder offenbart noch nahelegt.
Bei der Vorheizung von Partikelmaterialien muss zudem beachtet werden, dass einige Partikelmaterialien unter Einwirkung einer bestimmten Temperatur altern und ihre Eigenschaften verändern. Es ist deshalb bei solchen Partikelmaterialien entsprechende Sorgfalt einzuhalten, dass die Temperatur auch lokal nicht zu hoch wird und die Verweildauer unter Einfluss der Temperatur auf ein Minimum reduziert wird.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem Partikelmaterial in einem 3D-Drucker oder/und einem 3D-Druckverfahren homogen, schonend und energiesparend vorgeheizt werden kann, oder zumindest die Nachteile des Standes der Technik vermindert oder ganz vermeiden werden.
Kurze Zusammenfassung der Offenbarung
In einem Aspekt betrifft die Offenbarung einen Vorwärmbehälter für Partikelmaterial (Baumaterial) geeignet für eine 3D-Druckvorrichtung, der ein oder mehrere Heizmittel aufweist, wobei das oder die Heizmittel in dem Bereich angeordnet sind, der für die Partikelmaterialaufnahme vorgesehen ist und wobei das oder die Heizmittel von dem Partikelmaterial im Wesentlichen umgeben ist.
In einem weitern Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils mittels Partikelmaterialauftrag und selektiver Verfestigung und allen weiteren dafür notwendigen Verfahrensschritten und Verfahrensmitteln, wobei das Partikelmaterial vor dem Einbringen in den Beschichter oder/und vor dem Aufbringen auf das Baufeld in einem Vorwärmbehälter auf eine Zieltemperatur erwärmt wird.
Figurenliste

1: zeigt eine Vorrichtung und einen Prozessablauf nach dem Stand der Technik.
2: zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung in Seitenansicht.
3: zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung in Seitenansicht.
4 zeigt einen beispielhaften Vorwärmbehälter, wobei ein Heizelement beispielhaft dargestellt ist.

Ausführliche Beschreibung der Offenbarung
Die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine Vorheizung, die sich im Inneren eines Partikelmaterialbehälters - auch bezeichnet als Vorwärmbehälter - befindet. Die Vorheizung wird dabei vom Partikelmaterial umgeben und das Partikelmaterial fließt während des 3D-Druckprozesses um die Vorheizung herum. Dabei ist der Partikelmaterialbehälter so bemessen, dass die durchschnittliche Verweildauer des Materials im Behälter einem Vielfachen der Schichtzeit des 3D-Druckprozesses entspricht.
Als geeignete Behälter im Sinn der Erfindung haben sich Vorlagebehälter herausgestellt, die zur Befüllung des Beschichters vorgesehen sind. Solche Vorlagebehälter fassen ein Mehrfaches des für eine Schicht notwendigen Partikelmaterials. In manchen Fällen enthalten die Vorlagebehälter auch das gesamte für einen Bau-Job benötigte Partikelmaterial.
Der Vorlagebehälter kann sich in unmittelbarer Nähe zum Beschichter befinden. Das bedeutet, es kann so vermieden werden, dass sich erwärmtes Partikelmaterial auf dem Weg zur Schichtaufbringung wieder abkühlt.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der Beschichter wiederum über eine Wärmeisolierung oder eine Möglichkeit zur Beheizung verfügt, um eine „aktive“ Isolation zu bewirken. Gleiches gilt für die Bauplattform und die Job-Box.
Es kann zudem hilfreich sein, die gewünschte Baufeldtemperatur des Partikelmaterials über zwei oder mehrere Schritte zu erzielen, wobei ein Schritt die Erwärmung im Vorlagebehälter darstellt und eine weitere Erwärmung z.B. über eine Strahlungsquelle am Beschichter oder über eine stationäre Strahlungsquelle über dem Baufeld erreicht wird. Diese Temperaturkontrollen des Partikelmaterials können je nach Bedarf kombiniert werden.
Im Folgenden werden einige Begriffe näher definiert. Andernfalls sind für die verwendeten Begriffe die dem Fachmann bekannten Bedeutungen zu verstehen.
Im Sinne der Offenbarung sind „Schichtbauverfahren“ bzw. „3D-Druckverfahren“ oder „3D-Verfahren“ oder „3D-Druck“ alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die den Aufbau von Bauteilen in dreidimensionalen Formen ermöglichen und mit den hier im Weiteren beschriebenen Verfahrenskomponenten und Vorrichtungen kompatibel sind.
Unter „Binder-Jetting“ im Sinne der Offenbarung ist zu verstehen, dass schichtweise Pulver auf eine Bauplattform aufgebracht wird, jeweils die Querschnitte des Bauteils auf dieser Pulverschicht mit einer oder mehreren Flüssigkeiten bedruckt werden, die Lage der Bauplattform um eine Schichtstärke zur letzten Position geändert wird und diese Schritte solange wiederholt werden, bis das Bauteil fertig ist. Unter Binder-Jetting sind hier auch Schichtbauverfahren zu verstehen, die eine weitere Verfahrens-Komponente wie z.B. eine schichtweise Belichtung z.B. mit IR- oder UV-Strahlung benötigen.
„3D-Formteil“, „Formkörper“ oder „Bauteil“ im Sinne der Offenbarung sind alle mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder/und der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte dreidimensionale Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.
„Bauraum“ ist der geometrische Ort in dem die Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst oder durch den die Schüttung bei kontinuierlichen Prinzipien durchläuft. Im Allgemeinen wird der Bauraum durch einen Boden, die Bauplattform, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt. Bei kontinuierlichen Prinzipien existieren meist ein Förderband und begrenzende Seitenwände. Der Bauraum kann auch durch eine sogenannte Jobbox ausgestaltet sein, die eine in die Vorrichtung ein- und ausfahrbare Einheit darstellt und eine Batch-Herstellung erlaubt, wobei eine Jobbox nach Prozessabschluss ausgefahren wird und sofort eine neue Jobbox in die Vorrichtung eingefahren werden kann, sodass das Herstellungsvolumen und somit die Vorrichtungsleistung erhöht wird.
Als „Baumaterial" oder „Partikelmaterial“ oder „Pulver“ oder „Pulverschüttung“ im Sinne der Offenbarung können alle für den 3D-Druck bekannten fließfähigen Materialien verwendet werden, insbesondere in Pulverform, als Schlicker oder als Flüssigkeit. Dies können beispielsweise Sande, Keramikpulver, Glaspulver, und andere Pulver aus anorganischen oder organischen Materialien wie Metallpulver, Kunststoffe, Holzpartikel, Faserwerkstoffe, Cellulosen oder/und Laktosepulver sowie andere Arten von organischen, pulverförmigen Materialien sein. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken, frei fließendes Pulver, aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver kann verwendet werden. Diese Kohäsivität kann sich auch durch Beimengung eines Bindermaterials oder eines Hilfsmaterials wie z.B. einer Flüssigkeit ergeben. Die Beimengung einer Flüssigkeit kann dazu führen, dass das Partikelmaterial in Form eines Schlickers frei fließfähig ist. Generell können Partikelmaterial im Sinne der Offenbarung auch als Fluide bezeichnet werden.
In der vorliegenden Anmeldung werden Partikelmaterial und Pulver synonym verwendet.
Der „Partikelmaterialauftrag“ ist der Vorgang bei dem eine definierte Schicht aus Pulver erzeugt wird. Dies kann entweder auf der Bauplattform (Baufeld) oder auf einer geneigten Ebene relativ zu einem Förderband bei kontinuierlichen Prinzipen erfolgen. Der Partikelmaterialauftrag wird im Weiteren auch „Beschichtung“ oder „Recoaten“ genannt.
„Selektiver Flüssigkeitsauftrag“ oder „selektiver Binderauftrag“ kann im Sinne der Offenbarung nach jedem Partikelmaterialauftrag erfolgen oder je nach den Erfordernissen des Formkörpers und zur Optimierung der Formkörperherstellung auch unregelmäßig, beispielsweise mehrfach bezogen auf einen Partikelmaterialauftrag, erfolgen. Dabei wird ein Schnittbild durch den gewünschten Körper aufgedruckt.
Als „Vorrichtung“ zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der Offenbarung kann jede bekannte 3D-Druckvorrichtung verwendet werden, die die erforderlichen Bauteile beinhaltet. Übliche Komponenten beinhalten Beschichter, Baufeld, Mittel zum Verfahren des Baufeldes oder anderer Bauteile bei kontinuierlichen Verfahren, Job-Box, Dosiervorrichtungen und Wärme- und Bestrahlungsmittel und andere dem Fachmann bekannte Bauteile, die deshalb hier nicht näher ausgeführt werden.
Das Baumaterial gemäß der Offenbarung wird immer in einer „definierten Schicht“ oder „Schichtstärke“ aufgebracht, die je nach Baumaterial und Verfahrensbedingungen individuell eingestellt wird. Sie beträgt beispielsweise 0,05 bis 5 mm, vorzugsweise 0,07 bis 2 mm.
Ein „Beschichter“ oder „Recoater“ im Sinne der Offenbarung ist ein Vorrichtungsteil, das Fluid, z.B. Partikelmaterial wie z.B. mineralische oder metallische Materialien oder Kunststoffe, Holz in Form von Partikeln oder Gemische davon, aufnehmen kann und gesteuert auf eine Bauplattform einer 3D-Vorrichtung in Schichten abgibt oder aufträgt. Dabei kann der Beschichter länglich ausgestaltet sein und oberhalb einer Austrittsöffnung befindet sich in einem Vorratsbehälter das Partikelmaterial. Der Beschichter kann aber auch aus einer stehenden Klinge oder einer gegenläufig rotierenden Walze bestehen, die eine bestimmte Pulvermenge jeweils vor der Klinge oder der Walze auf dem Baufeld ausstreichen.
Eine „Beschichterklinge“ im Sinne der Offenbarung ist ein im Wesentlichen flaches metallisches oder aus einem anderen geeigneten Material gefertigtes Bauteil, das sich an der Austrittsöffnung des Beschichters befindet und über das das Fluid auf die Bauplattform abgegeben wird und glatt gestrichen wird. Ein Beschichter kann eine oder zwei oder mehrere Beschichterklingen aufweisen. Eine Beschichterklinge kann eine Schwingklinge sein, die Schwingungen im Sinne einer Drehbewegung ausführt, wenn sie angeregt wird. Weiterhin kann diese Schwingung ein- und ausgestellt werden durch ein Mittel zum Erzeugen von Schwingungen. Je nach der Anordnung der Austrittsöffnung ist die Beschichterklinge im Sinne der Offenbarung „im Wesentlichen waagerecht“ oder „im Wesentlichen senkrecht“ angeordnet.
Der „Vorlagebehälter“ oder „Vorwärmbehälter“ ist im Sinne der Offenbarung ein Behälter, der Partikelmaterial enthält und eine Menge davon nach jeder Schicht oder nach einer beliebigen Anzahl von Schichten an den Beschichter abgibt. Der Vorlagebehälter kann sich dazu vorteilhafterweise über die gesamte Breite eines Beschichters erstrecken. Der Vorlagebehälter verfügt am unteren Ende über einen Verschluss, der das Partikelmaterial am ungewollten Austreten hindert. Der Verschluss kann z.B. als Zellradschleuse, als einfacher Schieber oder andere geeignete Mechanismen nach dem Stand der Technik ausgebildet sein. Ein Vorlagebehälter im Sinne der Offenbarung kann Partikelmaterial für mehr als eine Schicht enthalten. Vorzugsweise enthält der Vorlagebehälter sogar Partikelmaterial für die Ausbringung von 20 oder mehr Schichten. Das Partikelmaterial kommt entweder über eine Förderstrecke aus einem größeren Vorrat in Form eines Silos oder eines Big-Bags oder wird händisch in den Behälter gefüllt. Die Füllung erfolgt vorzugsweise durch eine Öffnung am oberen Rand. Dadurch kann eine Förderung des Partikelmaterials im Vorlagebehälter durch die Schwerkraft erfolgen und es sind damit keine weiteren Fördereinrichtungen im Behälter notwendig. Eventuell verfügt der Vorlagebehälter auch über Rüttelmechanismen, die eine Brückenbildung des Partikelmaterials im Behälter verhindern. Der Vorlagebehälter weist einen Bereich auf, der das Partikelmaterial aufnimmt, der sich üblicherweise zwischen den Seitenwänden und dem Verschluss befindet. Nach der Offenbarung ist es vorteilhaft, wenn in dem Bereich, der das Partikelmaterial aufnimmt, ein Heizmittel angeordnet ist. Das Heizmittel ist so angeordnet, dass das Partikelmaterial das Heizmittel umfließt und somit die Aufheizung des Partikelmaterials verbessert wird. Der Vorlagebehälter kann stationär angeordnet sein, wobei dieser dann z.B. über der Halteposition des Beschichters angeordnet sein kann oder über dem Baufeld. Die Nachfüllung kann dann je nach Bedarf oder/und Steuerung der Volumenmenge mit vortemperiertem Partikelmaterial durch ein Verfahren des Beschichters an bzw. unterhalb des Vorlagebehälters erfolgen. Der Vorlagebehälter kann aber auch mit dem Beschichter lösbar oder nicht-lösbar verbunden sein. Es kann auch vorteilhaft sein aus Konstruktions- oder/und Kostengründen, dass der Beschichter nicht beheizbar ist. Der Beschichter kann dann über eine passive Isolierung verfügen. Der Beschichter kann aber auch überhaupt nicht beheizt und auch nicht mit einer Isolierung versehen sein, wenn das vorgeheizte Partikelmaterial in einem Volumen an den Beschichter abgegeben wird, das im Wesentlichen einem Schichtvolumen entspricht oder dem 1,2- bis 2-Fachen davon und es so praktisch ohne Verweildauer im Beschichter und damit im Wesentlichen ohne Wärmeverlust auf das Baufeld aufgetragen werden kann.
„Strahleraggregat“ im Sinne der Offenbarung ist eine Anordnung von Strahlereinheiten.
„Strahlereinheit“ im Sinne der Offenbarung ist eine Einheit, die Licht eines bestimmten Spektrums emittiert.
„Kühlmittel“ im Sinne der Offenbarung ist ein Mittel, das eine Strahlereinheit kühlen kann wie z.B. Wasser oder eine andere Flüssigkeit oder ein Gebläsestrom.
„Heizmittel“ im Sinne der Offenbarung ist ein Mittel, das dazu dient das Partikelmaterial im Vorlagebehälter auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen. Ein Heizmittel kann jede bekannte und mit den anderen Vorrichtungsteilen kompatible Heizeinheit sein, die dem Fachmann bekannt sind und deshalb hier nicht näher beschrieben werden müssen. Das Heizmittel ist nicht oder nicht zumindest teilweise in dem Vorlagebehälter oder Beschichter integriert, sondern lediglich in dem Bereich, der das Partikelmaterial aufnimmt, angeordnet. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Oberfläche des Heizmittels durch geeignete Mittel vergrößert ist, um somit die Wärmeleitung in das Partikelmaterial, das das Heizmittel umfließt zu optimieren. Denkbar sind z.B. Rippen oder Lamellen, eine schlangenförmige oder spiralenförmige Ausgestaltung des Heizmittels etc.
„Randbereich“ im Sinne der Offenbarung ist der Bereich eines Strahleraggregats, der sich am Rand des Strahleraggregats befindet und zum Innenbereich abgegrenzt werden kann. Dabei bilden Randbereich und Innenbereich den Gesamtbereich des Strahleraggregats hinsichtlich seiner Fläche, auf der die Strahlereinheiten angebracht sind.
„Innenbereich“ im Sinne der Offenbarung ist der Bereich eines Strahleraggregats, der sich im Inneren des Strahleraggregats befindet und zum Randbereich abgegrenzt werden kann.
„3D-Drucker“ oder „Drucker“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet das Gerät in dem ein 3D-Druckverfahren stattfinden kann. Ein 3D-Drucker im Sinne der Offenbarung weist ein Auftragsmittel für Baumaterial, z.B. ein Fluid wie ein Partikelmaterial, und eine Verfestigungseinheit, z.B. einen Druckkopf oder ein Energieeintragsmittel wie einen Laser oder eine Wärmelampe, auf. Weitere dem Fachmann bekannte Maschinenkomponenten und im 3D-Druck bekannte Komponenten werden je nach den speziellen Anforderungen im Einzelfall mit den oben erwähnten Maschinenkomponenten kombiniert.
„Baufeld“ ist die Ebene oder in erweitertem Sinn der geometrische Ort, auf dem oder in dem eine Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst. Häufig wird das Baufeld durch einen Boden, die „Bauplattform“, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt.
Der Prozess „Drucken“ oder „3D-Drucken“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Zusammenfassung der Vorgänge Materialauftrag, selektives Verfestigen oder auch Bedrucken und Arbeitshöhe verstellen und findet in einem offenen oder geschlossenen Prozessraum statt.
Unter einer „Aufnahmeebene“ im Sinne der Offenbarung ist die Ebene zu verstehen, auf die Baumaterial aufgetragen wird. Offenbarungsgemäß ist die Aufnahmeebene immer in einer Raumrichtung durch eine lineare Bewegung frei zugänglich.
„Baufeldwerkzeug“ oder „Funktionale Einheit“ im Sinne der Offenbarung sind alle Mittel oder Vorrichtungsteile, die für den Fluidauftrag, z.B. Partikelmaterial, und die selektive Verfestigung bei der Herstellung von Formteilen eingesetzt werden. So sind alle Materialauftragsmittel und Schichtbehandlungsmittel auch Baufeldwerkzeuge oder funktionale Einheiten.
„Ausstreichen“ oder „Aufbringen“ im Sinne der Offenbarung bedeutet jegliche Art und Weise, mit der das Partikelmaterial verteilt wird. Beispielsweise kann an der Startposition einer Beschichtungsfahrt eine größere Pulvermenge vorgelegt werden und durch eine Klinge oder eine rotierende Walze in das Schichtvolumen verteilt oder ausgestrichen werden.
„Beschichter“ oder „Recoater“ oder „Materialauftragsmittel“ im Sinne der Offenbarung ist die Einheit, mittels derer ein Fluid auf das Baufeld aufgebracht wird. Dieser kann aus einem Fluidvorratsbehälter und einer Fluidauftragseinheit bestehen, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung die Fluidauftragseinheit einen Fluidauslass und eine „Rakeleinrichtung“ umfasst. Diese Rakeleinrichtung könnte eine Beschichterklinge sein. Es könnte aber auch jede andere erdenkliche geeignete Rakeleinrichtung verwendet werden. Denkbar sind beispielsweise auch rotierende Walzen oder eine Düse. Die Materialzufuhr kann über Vorratsbehälter frei fließend oder Extruderschnecken, Druckbeaufschlagung oder andere Materialfördereinrichtungen erfolgen.
„Warping“ bezeichnet das Aufbiegen von bedruckten Schichten aufgrund des zeitlich unterschiedlich auftretenden Schwundes beim Erstarren der gebundenen Partikel. Dies kann zu Schichtfehlern führen, wenn sich Strukturen aufgrund on Warping aus der Baufeldebene erheben und eventuell bei der nächsten Beschichtung vom Beschichter mitgerissen werden.
Der „Druckkopf“ oder Mittel zum selektiven Verfestigen im Sinne der Offenbarung setzt sich üblicherweise aus verschiedenen Komponenten zusammen. Unter anderem können dies Druckmodule sein. Die Druckmodule verfügen über eine Vielzahl an Düsen, aus denen der „Binder“ in Tröpfchenform auf das Baufeld gesteuert ausgestoßen wird. Die Druckmodule sind relativ zum Druckkopf ausgerichtet. Der Druckkopf ist relativ zur Maschine ausgerichtet. Damit kann die Lage einer Düse dem Maschinenkoordinatensystem zugeordnet werden. Die Ebene in der sich die Düsen befinden wird üblicherweise als Düsenplatte bezeichnet. Ein weiteres Mittel zum selektiven Verfestigen kann auch ein oder mehrere Laser oder andere Strahlungsquellen oder eine Wärmelampe darstellen. Dabei kommen auch Arrays solcher Strahlungsquellen, wie z.B. Laserdiodenarrays in Betracht. Es ist im Sinne der Offenbarung zulässig, dass die Einbringung der Selektivität von der Verfestigungsreaktion getrennt erfolgt. So kann über einen Druckkopf oder eine oder mehrere Laser eine selektive Behandlung der Schicht erfolgen und durch andere Schichtbehandlungsmittel, die Verfestigung gestartet werden. In einer Ausführungsform wird das Partikelmaterial mit einem IR-Absorber bedruckt und anschließend mit einer Infrarotquelle verfestigt.
„Schichtbehandlungsmittel“ im Sinne der Offenbarung sind alle Mittel, die geeignet sind, um einen bestimmten Effekt in der Schicht zu erzielen. Dies können die vorgenannten Einheiten wie Druckkopf oder Laser aber auch Wärmequellen in Form von IR-Strahlern oder andere Strahlungsquellen wie z.B. UV-Strahler sein. Denkbar sind auch Mittel zur De- oder Ionisierung der Schicht. Allen Schichtbehandlungsmitteln gemein ist, dass ihre Wirkungszone auf die Schicht linienförmig verteilt ist und dass sie wie die anderen Schichteinheiten wie Druckkopf oder Beschichter über das Baufeld geführt werden müssen, um die gesamte Schicht zu erreichen.
Ausführliche Beschreibung der Offenbarung
Im Folgenden werden die verschiedenen Aspekte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Offenbarung näher beschrieben.
Die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch einen Vorwärmbehälter für Partikelmaterial (Baumaterial) geeignet für eine 3D-Druckvorrichtung, der ein oder mehrere Heizmittel aufweist, wobei das oder die Heizmittel in dem Bereich angeordnet sind, der für die Partikelmaterialaufnahme vorgesehen ist und wobei das oder die Heizmittel von dem Partikelmaterial im Wesentlichen umgeben ist.
Die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung geeignet für ein 3D-Druckverfahren, wobei die Vorrichtung einen oder mehrere Vorwärmbehälter für Partikelmaterial aufweist, der oder die ein oder mehrere Heizmittel aufweisen, die von dem Partikelmaterial im Wesentlichen umgeben sind.
Die Lösung der vorliegenden Offenbarung hat den Vorteil, dass ein vorteilhafter Wärmetransfer von dem Heizelement in dem Vorlagebehälter in das vorzuheizende Partikelmaterial erfolgt. Dies wird einerseits dadurch erreicht, dass das Partikelmaterial das Heizelement umfließt und so ein guter Temperaturtransfer erreicht wird. Andererseits ist die Verweildauer des Partikelmaterials in dem Vorlagebehälter relativ lange in der Gesamtschau eines Druckverfahrens und eines Druck-Jobs oder eines Druckbatches, aber auch in kontinuierlichen Verfahren, wodurch ein gutes Ergebnis der Vorwärmung des Partikelmaterials erreicht werden kann. Weiterhin ist es möglich mit der hier offenbarten Lösung eine oder aber mehrere Heizelemente zu verwenden und in dem Bereich, der für das Partikelmaterial in dem Vorlagebehälter vorgesehen ist, anzubringen und so die Heizleistung über bekannte Vorrichtungen zu erhöhen. Weiterhin vorteilhaft ist, dass nach der hier beschriebenen Lösung in 3D-Druckvorrichtungen, bei denen möglichst zusätzliche Wärmequellen im Bauraum vermieden werden sollen, um eine weitere Aufheizung im Bauraum und die damit verbundenen Nachteile zu vermeiden, das Temperieren des Partikelmaterials von dem Bauraum weg verlagert und vorgelagert werden kann.
In der Vorrichtung oder dem Vorwärmbehälter nach der Offenbarung kann der oder die ein oder mehrere Heizmittel Mittel zur an ihrer dem Partikelmaterial zugewandten Fläche eine Oberflächenvergrößerung aufweisen und als Verrippung, Lamelle oder andere geeignete Struktur ausgebildet sein. Dies kann vorteilhaft sein, um die Wärmeübertragungsrate auf das Partikelmaterial weiter zu verbessern und eine gleichmäßige Wärmeverteilung zu erreichen.
In der Vorrichtung oder dem Vorwärmbehälter nach der Offenbarung kann der Vorwärmbehälter stationär sein, der Vorwärmbehälter über dem Baufeld oder/und seitlich über dem Baufeld stationär angeordnet sein oder der Vorwärmbehälter mit dem Beschichter gekoppelt sein. Der Vorwärmbehälter kann vorteilhafter Weise so angeordnet werden, dass der Beschichter leicht zu dem Vorwärmbehälter verfahrbar ist und das vorgewärmte Partikelmaterial in einem gewünschten Volumen in den Beschichter abgegeben und überführt werden kann.
Die Vorrichtung oder der Vorwärmbehälter nach der Offenbarung kann vorteilhaft so ausgestaltet sein, dass das oder die Heizmittel nicht und nicht zumindest teilweise in dem Vorwärmbehälter integriert sind oder/und nicht und nicht zumindest teilweise in den Seitenwänden, dem Bodenteil oder/und einer Beschichterklinge des Vorwärmbehälters integriert sind. Mit der speziellen Anordnung des Heizelements in dem Vorwärmbehälter wird eine verbesserte Wärmeleitung in das Partikelmaterial erreicht und es kann so eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung in dem zu erwärmenden Partikelmaterial erreicht werden oder zumindest der Wärmeeintrag in das Partikelmaterial verbessert werden im Vergleich zu bekannten Lösungen des Standes der Technik.
In der Vorrichtung oder dem Vorwärmbehälter nach der Offenbarung kann der Vorwärmbehälter ein Partikelmaterialabgabemittel (Verschluss) aufweisen und das Partikelmaterialabgabemittel zur Abgabe eines definierten Volumens an Partikelmaterial einstellbar sein, gegebenenfalls zur Abgabe in den oder die Beschichter oder direkt auf das Baufeld, wobei vorzugsweise das Partikelmaterialabgabemittel nicht als Klinge ausgestaltet ist.
In einer Vorrichtung oder Vorwärmbehälter nach der Offenbarung kann prinzipiell jedes Volumen an Partikelmaterial in den Beschichter oder auf das Baufeld dosiert werden. Es kann vorteilhaft sein, wenn das definierte Volumen im Wesentlichen dem Volumen einer Partikelmaterialschicht auf dem Baufeld entspricht oder dem 1,2 bis 1,9-Fachen des Volumens einer Partikelmaterialschicht auf dem Baufeld oder dem 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 bis 12-Fachen des Volumens einer Partikelmaterialschicht auf dem Baufeld entspricht. Insbesondere wenn lediglich kleine Mengen an Partikelmaterial in den Beschichter vorgelegt werden, die im Wesentlichen einer Schicht oder nur wenigen Schichten entsprechen, behält dieses Partikelmaterial im Wesentlichen auch die Temperatur, auf die es in dem Vorwärmbehälter gebracht wurde ohne wesentlich abzukühlen. Dadurch ist praktisch keine weitere Aufheizung auf dem Baufeld mehr nötig, so dass das Aufbauen der 3D-Bauteile mit konstanten Temperaturen und in hoher Qualität möglich ist.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Verringerung der Vorwärmphase, die notwendig ist, um das Baufeld auf die notwendige Temperatur vor Beginn eines Druckjobs zu bekommen.
In einer Vorrichtung nach der Offenbarung kann der Vorwärmbehälter in einer für die Vorrichtung und deren Gesamtaufbau vorteilhaften Weise angeordnet sein, z.B. außerhalb des Komplexes von Beschichter und Baufeld oder über dem Baufeld oder nahe eines Umkehrpunktes des Beschichters. Der Vorwärmbehälter kann auch einem oder mehreren Beschichtern vorgeschaltet sein.
Weiterhin kann in der Vorrichtung nach der Offenbarung in das oder die Heizmittel direkt eine Wärmequelle z.B. in Form eines elektrisch betriebenen Widerstandsheizers integriert sein.
In einer Vorrichtung nach der Offenbarung kann das oder die Heizmittel als Wärmeleiter ausgebildet sein, die Wärme aus einer außerhalb des Behälters befindlichen Quelle ins Innere leiten. Beispielweise als angewärmte Flüssigkeit oder Gas. Die Wärme kann auch über einen Wärmeleitkörper in das Innere des Behälters geleitet werden. In Form eines mit Rippen aufgebauten Leitkörpers, welcher von außen über ein oder mehrere Heizmittel erwärmt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann in der Vorrichtung nach der Offenbarung die Wärmequelle als elektrisch betriebene Widerstandsheizung oder als Brennstoff betriebene Heizung ausgebildet sein.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das Heizelement eine Oberflächenvergrößerung aufweist und die Mittel zur Oberflächenvergrößerung so ausgebildet sind, dass sie den durch Schwerkraft bewirkten Materialabfluss nicht behindern oder verhindern.
In einer Vorrichtung nach der Offenbarung sind die Heizmittel in dem Raum zur Aufnahme des Partikelmaterials angeordnet, wobei das oder die Heizmittel die Behälterwand oder/und den Boden oder/und den Verschluss im Wesentlichen nicht berühren. Es kann vorteilhaft sein, wenn hierbei ein Abstand von 2 bis 5 mm oder 1 bis 5cm eingehalten wird.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils mittels Partikelmaterialauftrag und selektiver Verfestigung und allen weiteren dafür notwendigen Verfahrensschritten und Verfahrensmitteln, wobei das Partikelmaterial vor dem Einbringen in den Beschichter oder/und vor dem Aufbringen auf das Baufeld in einem Vorwärmbehälter auf eine Zieltemperatur erwärmt wird.
In einem derartigen Verfahren kann die Zieltemperatur variable eingestellt und während des Verfahrens sogar geändert werden, z.B. nach einer bestimmten Anzahl von Schichtaufträgen, wobei die Zieltemperatur 50 °C bis 190 °C, vorzugsweise 50 °C bis 80 °C oder 90 °C bis 120 °C oder 120 °C bis 190 °C beträgt.
In dem Verfahren nach der Offenbarung kann der Vorwärmbehälter ein Partikelmaterialabgabemittel (Verschluss) aufweisen und das Partikelmaterialabgabemittel kann zur Abgabe eines definierten Volumens an Partikelmaterial eingestellt werden. Die hierfür vorteilhaften Volumina wurden weiter oben bereits beschrieben und finden hier gleichermaßen Anwendung.
In dem Verfahren nach der Offenbarung kann jedes für den 3D-Druck geeignete Partikelmaterial Verwendung finden, wobei das Partikelmaterial vorzugsweise ein Sand, ein beschichteter Sand, ein Keramikpulver, ein Metallpulver, ein Polymer oder ein zellulosebasiertes Material ist.
Das Verfahren nach der Offenbarung kann jedes bekannte 3D-Druckverfahren sein, z.B. kann das Verfahren ein Phenolharzverfahren, ein High-Speed-Sintering-Verfahren oder ein Anorganik-Verfahren sein.
In dem Verfahren nach der Offenbarung kann zusätzlich der Bauraum oder/und das Baufeld auf eine definierte Temperatur eingestellt werden. Die Temperatur kann dabei auf 50 °C bis 190 °C, vorzugsweise 50 °C bis 80 °C oder 90 °C bis 120 °C oder 120 °C bis 190 °C eingestellt werden.
In dem Verfahren nach der Offenbarung kann vorteilhafter Weise die Prozessierung einer Schicht innerhalb von 25 bis 90 Sekunden, vorzugsweise von weniger als 60 Sekunden durchgeführt werden.
Eine Vorrichtung gemäß der Offenbarung in einem Aspekt umfasst einen 3D-Drucker nach dem Stand der Technik mit den dem Fachmann wohl bekannten Komponenten, z.B. mit einer Partikelmaterialzufuhr, einem Beschichter, einem Druckkopf für die Dosierung von Binder, einer Bauplattform einer Steuerung und gegebenenfalls mindestens einer Wärmequelle zur Aufwärmung und/oder Temperieren des Partikelmaterials über Umgebungstemperatur und gemäß der Offenbarung einen Vorwärmebehälter.
Gemäß der Offenbarung wird vorgeschlagen, das Partikelmaterial im Vorlagebehälter (Vorwärmebehälter) auf eine gewünschte Temperatur zu bringen. Dies hat den Vorteil, dass die zu erwärmende Partikelmaterialmenge eine ausreichende Verweildauer im Vorlagebehälter aufweist, so dass die notwendige Heizleistung begrenzt bleibt. Zudem wird das so erwärmte Partikelmaterial direkt im Prozessraum auf kurzem Wege verarbeitet. Der Vorlagebehälter weist hierfür eine Struktur im Inneren auf, die über eine möglichst große Kontaktfläche zum Partikelmaterial verfügt. Vorteilhafterweise bewegt sich das Partikelmaterial der Schwerkraft folgend vom oberen Rand des Vorlagebehälters zum Boden, wo ein Schiebermechanismus oder eine Zellradschleuse für einen gesteuerte Dosierung des Partikelmaterials in den Beschichter sorgt. Dabei bewegt sich das ausfließende Partikelmaterial an der Innenstruktur vorbei und nimmt über den Kontakt zur Struktur Wärme auf. Die Struktur selbst kann z.B. aus länglich geformten elektrisch betriebenen Heizstäben bestehen, die zur Verbesserung des Wärmeüberganges über weitere Lamellen verfügen. Die Heizstäbe haben dazu vorteilhafterweise eine Oberfläche aus einem gut wärmeleitenden Material wie z.B. Stahl. Die Lamellen können ebenfalls vorteilhafter Weise aus einem solchen Werkstoff geformt sein. Die Struktur sollte so ausgebildet sein, dass sich das Partikelmaterial um sie herumbewegen kann, dabei aber keine Engstellen entstehen, an denen der Partikelmaterialstrom zum Erliegen kommen kann. Dies bedeutet, dass die Abstände der Lamellen und der Stäbe zueinander aber auch zur Vorlagebehälterwand ausreichend dimensioniert sind.
Beispielhaft ist die beheizbare Länge derartiger Behälter so lang wie der Beschichter breit ist, im vorliegenden Fall z.B. 1000mm. Die Tiefe des Behälters beträgt in dem Ausführungsbeispiel 60 mm und die Höhe 250 mm. In dem Behälter sind zwei 3,6m lange vier Heizstäbe mit je 3 Biegungen verbaut, die sich über die gesamte Länge erstrecken und in einer Tragstruktur in Position gehalten werden.
Weitere beispielhafte Darstellung der Offenbarung
Verschiedene Aspekte der Offenbarung werden im Folgenden beispielhaft beschrieben, ohne dass diese beschränkend verstanden werden sollen. Auch kann jeder Aspekt aus den unten dargestellten Beispielhaften Figuren in jeder Kombination nutzbar gemacht werden.
1: zeigt eine Vorrichtung und einen Prozessablauf nach dem Stand der Technik, wobei das Partikelmaterial (5) - auch als Schüttgut bezeichnet - von einem Pulverreservoir (1) (Vorlagebehälter) in einen Beschichter (2) eingefüllt wird; die Abgabe des Partikelmaterials kann über einen Verschluss (10) gesteuert werden. Die Partikelmaterialabgabe erfolgt beispielsweise hier mittels Beschichterklinge (3), wobei Partikelmaterialschichten (6, 61., 6.2) in definierter Dicke auf dem Baufeld (nicht dargestellt) entstehen. Das Aufbringen des Partikelmaterials erfolgt durch Verfahren des Beschichters (2) über dem Baufeld in Verfahrrichtung (4) und Gegenrichtung (4.1). Nach jedem Partikelmaterialschichtauftrag wird das Baufeld um eine gewünschte Höhe abgesenkt bzw. der Beschichter (2) angehoben. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das oder die gewünschten Formteile erzeugt worden sind. Es erfolgt keine Temperierung oder Aufheizung in dem Vorlagebehälter oder dem Beschichter.
2: zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung in Seitenansicht, wobei ein Beschichter wie in 1 dargestellt ist, der über einen Vorwärmbehälter (7) befüllt wird. Der Vorwärmbehälter (7) weist Heizelemente (8, 8.1, 8.2) auf, die von Partikelmaterial (5) umflossen werden und so auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt werden können. Mittels Verschluss (10) kann eine definierte Menge (Volumen) an Partikelmaterial in den Beschichter abgegeben werden. Der Verschluss (10) kann als Schieber, mittels Vibration und Brückenbildung oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein. In einer alternativen Ausführungsform kann das Partikelmaterial (5) auch direkt auf das Baufeld abgegeben werden, wenn ohne Beschichter zur Partikelschichterstellung gearbeitet wird, sondern mittels einer Partikelmaterialvorlagemenge, die dann mittels sogenannter Walze über eine Rolle oder einen Schieber auf dem Baufeld zur Erstellung einer definierten Partikelmaterialschicht erzielt wird.
3: zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung in Seitenansicht, wobei die Bauteile im Wesentlichen denen der 2 entsprechen, wobei in dem Vorwärmbehälter (7) zwei Heizelemente angeordnet sind, die als Rippenrohrheizung (9, 9.1) ausgestaltet sind und gleichermaßen von Partikelmaterial umflossen werden. Durch den Kontakt und eine relativ lange Verweildauer kann eine effektive und gezielte Aufheizung des Partikelmaterials (5) erzielt werden, sodass ein Aufheizen in dem Beschichter oder/und auf dem Baufeld im Wesentlichen nicht mehr notwendig ist. Das Heizelement kann dabei eine Oberflächenvergrößerung wie Rippen aufweisen, die das Aufheizen des Partikelmaterials noch vereinfachen. Es ist nun möglich die Beladung des Vorwärmbehälters (7) entsprechend der Materialerfordernisse auszuwählen. Bei unempfindlichen Materialien wie Sand kann der Vorwärmbehälter komplett beladen werden, während bei wärmeempfindlicheren Materialein wie Kunststoffen ein kürzere Verweildauer erreicht werden, indem weniger Partikelmaterial (5) vorgelegt wird und diese somit schneller in den Beschichter (2) abgegeben wird. Es kann in einer anderen Variante der Erfindung auch gezielt eine definierte Menge, die z.B. im Wesentlichen einer Schichtdicke entspricht oder 1,2 bis 1,9, oder 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder 11 - 12 Schichtdicken an Partikelmaterial (5) entspricht über den Verschluss (10) in den Beschichter (2) abgegeben werden. Damit kann vorteilhafterweise ein noch präzisiere Temperierung des Partikelmaterials erreicht werden, indem die Verweildauer im Beschichter (2) weiter verkürzt wird und somit die Abkühlung im Beschichter (2) verringert wird. Somit kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Verfahren eine bessere Temperierung insgesamt erreicht werden und es entfällt die Notwendigkeit das Partikelmaterial (5) auf dem Baufeld selber zu erwärmen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Bauteile im Bauraum möglichst kurz oder keinen erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden sollen.
4 zeigt einen beispielhaften Vorwärmbehälter (7), wobei ein Heizelement (8) beispielhaft dargestellt ist. Schematisch ist ein Vorwärmbehälter (7) in Aufsicht mit einem Heizelement dargestellt, wobei das Heizelement als Rippenrohrheizung (9) ausgestaltet ist. Zur Erhöhung der Oberfläche und zur besseren Wärmeübertragung auf das Partikelmaterial (5) weist das Heizelement Rippen (11) als Oberflächenvergrößerungen auf.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand verschiedener Beispiele weiter erläutert:
Beispiel 1 Phenolharzprozess:
Binderjetting-Prozesse mit warmhärtenden Bindern sind aus dem Stand der Technik bekannt. Hier wird die zum Härten des Binders notwendige Temperatur entweder nach dem Bauprozess z.B. über eine Mikrowellenbehandlung oder andere Ofenbehandlung in die Partikelmaterialschüttung eingetragen oder die Temperatur wird während des Bauens schichtweise in die Partikelmaterialschüttung eingebracht. Dies erfolgt typischerweise mittels IR-Strahlungsheizung, die z.B. als linienförmiger Strahler ausgebildet ist, welche sich wiederum z.B. am Beschichter in unmittelbarer Nähe zum Baufeld befindet. Das Partikelmaterial kann so in einer neuen Schicht abgelegt und gleichzeitig auf die notwendige Temperatur gebracht werden. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, dass die Einkopplung der IR-Strahlungsenergie in typische Partikelmaterialien wie Quarzsande oder Keramikmaterialen relativ schlecht ist und viel Energie an den umgebenden Raum verloren geht.
Dies wird insbesondere vor Start des eigentlichen Druckvorgangs sichtbar, wenn auf die Bauplattform eine erste Lage an Quarzsand mit Umgebungstemperatur aufgebracht wird, und diese Lage auf die gewünschte Bauflächentemperatur gebracht werden soll. In der Regel werden mehrere Lagen Baumaterial nacheinander aufgetragen und mit IR-Strahlung behandelt, bis sich die gewünschte Temperatur auf dem Baufeld einstellt. Typischerweise beträgt diese Vorwärmphase bis zu 90 Minuten, die dem eigentlichen Bauvorgang zuzurechnen sind und die Produktivität des Gerätes verschlechtert. Zudem verringert sich die nutzbare Bauhöhe um den Betrag der unbedruckten Startschichten, im konkreten Beispiel sind das rund 20 mm.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässen sich diese Probleme sehr leicht lösen. Im konkreten Fall wird ein Partikelmaterial z.B. ein Quarzsand mit einer mittleren Korngröße von 90 bis 210 µm oder spezifischer 140 µm über ein Silo mit einem größeren Fassungsvermögen über eine Transportstrecke, z.B. einem Schraubenförderer in einen Vorwärmbehälter eines 3D Druckers des Typs VX2000 der voxeljet AG dosiert. Der Vorwärmbehälter fasst etwa 8 kg Partikelmaterial. In seinem Inneren sind mehrere Heizstäbe in Längsrichtung angebracht. Die Heizstäbe sind so angeordnet, dass das Partikelmaterial um die Heizstäbe herumfließen muss. Die Heizstäbe verfügen über eine elektrische Anschlussleistung von 6 kW und heizen das Partikelmaterial von Umgebungstemperatur von etwa 22°C auf eine Temperatur von über 170°C auf. Das heiße Partikelmaterial wird chargenweise in einen Beschichtertrichter gefüllt. Der Vorgang erfolgt etwa jede 2. Schicht. Der Beschichtertrichter verfügt an seiner Außenseite über elektrisch beheizte Matten, um Wärmeverluste des Partikelmaterials über eine kalte Beschichtertrichterwand zu minimieren. Das Partikelmaterial wird dann mittels Beschichter in einer Schichtstärke von 0,1 bis 0,5 mm, üblicherweise 0,3 mm auf das Baufeld von 2 x 1 m ausgetragen. Die abgelegte Menge beträgt bei diesem Maschinetyp ca. 800g oder 1400g. Das Partikelmaterial bildet dann die neue Baufeldfläche und weißt nach dem Beschichten eine Temperatur im Bereich von 90 - 110°C auf. Bei den initialen Schichten vor Beginn eines Druckjobs wird dieser Vorgang wiederholt. Durch die gleichmäßige Erwärmung des Partikelmaterials ist der Wärmeverlust der ersten Schichten in die Baufeldumrandung relativ gering, so dass die gewünschte Temperatur auf der Sandoberfläche bereits nach 15 unbedruckten Startschichten erreicht und stabilisiert werden kann. Nach Abschluss der Startschichten folgt der Druckkopf, der ein heißhärtendes Phenolharz computergesteuert und selektiv gemäß der vorbestimmten Schichtdaten auf das Baufeld dosiert. Die Dosiermenge beträgt etwa 5 - 8 Gew.-%. Die Prozessraumatmosphäre weißt in dieser Ausführung eine mittlere Temperatur von 45°C auf. Nach Abschluss des Drucks fährt der Beschichter in die Startposition und führt dabei einen IR-Strahler über das Baufeld, der für eine weitere Erhöhung der Baufeldtemperatur auf 110°C sorgt. Der Strahler wird auf eine Leistung von 3 kW gestellt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der notwendige Energieeintrag am IR-Strahler von 18 kW auf 3 kW reduziert werden. Insgesamt ist der Leistungsbedarf zum Erhitzen des Sandes auf die notwendige Temperatur auf dem Baufeld so gesunken, dass die Geschwindigkeit bei der Bestrahlungsfahrt des Beschichters von 100 mm/s auf 500 mm/s und die der Beschichtungsfahrt von 80 mm/s auf 130 mm/s erhöht werden kann. Die Schichtdauer sinkt damit signifikant von 70 s auf weniger als 40 s. Als weitere positiver Effekt kann vermerkt werden, dass die Temperatur der Prozessraumatmosphäre auf 45°C konstant gehalten werden und dafür bei 25°C Umgebungstemperatur kein Klimagerät benötigt wird. Nicht zuletzt sinkt die Aufheizphase des Gerätes mit dem Ablegen der Startschichten von rund 80 min auf rund 20 min und die nutzbare Bauhöhe verringert sich nur um rund 5 mm statt um rund 20 mm.
Der Prozess des Schichtaufbringens, Bedrucken und Bestrahlen wird solange wiederholt, bis das gewünschte Formteil aufgebaut ist. Nach Abschluss des Bauprozesses wird die gefüllte Job-Box aus dem 3D-Druckker entnommen und kühlt bei Umgebungsbedingungen wenige Stunden ab, bevor der unbedruckte Sand über einen Vakuumsauger entfernt wird und die gedruckten Strukturen entnommen werden können. Standard-Biegeriegel, die in Druckrichtung orientiert sind weisen eine Biegebruchfestigkeit von 350 - 400 N/cm² bei einem LOI von 2,2 - 2,4 Gew.-% auf.
Beispiel 2: IOB (inorganic binding) Prozess
Auch hier wird ein Partikelmaterial z.B. ein Quarzsand mit einer mittleren Korngröße von 90 bis 210 µm oder spezifischer 140 µm verwendet. Das Partikelmaterial kann mit einem sogenannten Promotor vorgemischt sein. Das Material wird über eine Transportstrecke, z.B. einem Schraubenförderer in einen Vorlagebehälter (Vorwärmbehälter) eines 3D Druckers des Typs VX1000 der voxeljet AG dosiert. Der Vorwärmbehälter fasst etwa 8 kg Partikelmaterial. In seinem Inneren sind mehrere Heizstäbe in Längsrichtung angebracht. Die Heizstäbe sind so angeordnet, dass das Partikelmaterial um die Heizstäbe herumfließen muss. Die Heizstäbe verfügen über eine elektrische Anschlussleistung von 6 kW und heizen das Partikelmaterial von Umgebungstemperatur von etwa 22°C auf eine Temperatur von über 80°C auf. Das heiße Partikelmaterial wird chargenweise in einen Beschichtertrichter gefühlt. Der Vorgang erfolgt etwa jede 3. Schicht. Der Beschichtertrichter verfügt an seiner Außenseite über elektrisch beheizte Matten, um Wärmeverluste des Partikelmaterials über eine kalte Beschichtertrichterwand zu minimieren. Das Partikelmaterial wird dann mittels Beschichter in einer Schichtstärke von 0,1 bis 0,5 mm, üblicherweise 0,3 mm auf das Baufeld von 0,6 x 1 m ausgetragen. Die abgelegte Menge beträgt bei diesem Maschinetyp rund 240 g. Das Partikelmaterial bildet dann die neue Baufeldfläche und weißt nach dem Beschichten eine Temperatur im Bereich von 40 - 50°C auf. Nach Abschluss der Beschichtung folgt der Druckkopf, der einen anorganischen Binder computergesteuert und selektiv gemäß der vorbestimmten Schichtdaten auf das Baufeld dosiert. Dieser Binder besteht aus einer Mischung gelöster Wassergläser und weiterer Lösemittel, der bei Trocknung Festigkeit aufbaut. Die Dosiermenge beträgt etwa 2 - 5 Gew.-%. Die Erhöhung der Temperatur im Partikelmaterial führt zu einer schnelleren Trocknung des Binders und damit zu weniger unerwünschter Penetration in die unbedruckten Bereiche.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der notwendige Energieeintrag während des Schichtaufbaus vollständig über den Vorwärmbehälter erfolgen. Es ist keine weitere Wärmequelle wie z.B. ein IR-Strahler notwendig.
Nach Abschluss des Bauprozesses wird die gefüllte Job-Box aus dem 3D-Druckker entnommen und kann einem Postprozess zugeführt werden, der unter anderem eine Wärmebehandlung beinhalten kann. Standard-Biegeriegel, die in Druckrichtung orientiert sind, weisen nach dem Postprozess eine Biegebruchfestigkeit von 200 - 300 N/cm² bei einer Restfeuchte von 0,1 - 0,35 Gew.-% auf.
Beispiel 3: High Speed Sintering Prozess
Einen weiteren Prozess in der additiven Fertigung stellt das Verfahren des High Speed Sintering dar. Hier wird ein Polymerpulver, z.B. Polyamid 12 - kurz PA12 - mit einer mittleren Korngröße von 55 µm verarbeitet. Anders als in den vorgenannten Binder-Jetting-Beispielen wird hierbei das Material über selektives Aufschmelzen verbunden. Das Partikelmaterial wird dazu auf die Baufläche aufgetragen. Die Schichtdicke beträgt in diesem Fall typischerweise 80 µm. Die frische Schicht wird nun von der freien Oberseite aus mittels Strahlung und von der darunterliegenden vorher aufgetragenen Schicht mittels Wärmeleitung auf eine Temperatur von vorzugsweise 165-178°C gebracht. Anschließend dosiert ein Druckkopf einen Absorber selektiv auf die zu verfestigenden Bereiche, bevor das gesamte Baufeld mit einer weiteren Strahlungsquelle überfahren wird. Die mit Absorber benetzten Flächen der Partikelmaterialschicht heizen sich dadurch über den Schmelzpunkt des Partikelmaterials auf und versintern. Die unbedruckten Teile des Baufeldes sind für die gewählte Strahlung weitestgehend reflektierend oder transparent, behalten die vorher eingestellte Temperatur und bleiben damit lose. Nach Abschluss des Bauprozesses kann das gewünschte Bauteil aus dem Baubehälter entnommen und vom unbedruckten Partikelmaterial gereinigt werden. Das Bauteil wird für PA12 typische Werkstoffeigenschaften aufweisen.
Die Herausforderung bei diesem Prozess ist die Temperaturführung. So soll das Partikelmaterial auf dem Baufeld eine möglichst konstante Temperatur innerhalb des Sinterfensters des Materials aufweisen. Andererseits wird es bei einer zu langen Verweildauer bei dieser Temperatur derart geschädigt, dass es seine Eigenschaften verändert und es deshalb nicht mehr vollständig im Prozess wiederverwendet werden kann. Des Weiteren darf der Druckkopf keiner zu hohen Temperatur ausgesetzt werden, da dieser sonst beschädigt werden könnte. Typischerweise liegt eine Arbeitstemperatur des Druckkopfes bei unter 60°C. Deshalb sollte die Prozessraumtemperatur 50°C nicht übersteigen. Üblicherweise verfügt ein HSS Drucker nach dem Stand der Technik deshalb über verschiedene Systeme zum Heizen und Kühlen. Das Partikelmaterial kann z.B. über einen Flächenstrahler über dem Baufeld auf Temperatur gebracht werden. Die Sintertemperatur kann auf den bedruckten Flächen durch Überfahrt mit einem Strahler bewerkstelligt werden. Die Prozessraumtemperatur kann hingegen über ein passives Abluftkonzept oder eine aktive Kühlung über ein Klimagerät realisiert werden.
Nachteilig wirkt sich das Ausbringen von Partikelmaterial mit Umgebungstemperatur auf das heiße Baufeld aus. Im schlechtesten Fall wird der vorhergehenden Schicht dadurch so viel Wärme entzogen, dass die bedruckten Pulverbereiche erstarren und schwinden und sich dabei sogenanntes Warping einstellt. Insofern ist es von Vorteil, dass das aufzutragende Partikelmaterial möglichst zuvor bereits eine Temperatur aufweist, die nahe an der Baufeldtemperatur liegt. Es liegt dabei nahe den gesamten Partikelmaterialvorrat entsprechend zu temperieren. Dies ist jedoch langwierig und zum anderen belastet es das Partikelmaterial für die Zeit des gesamten Bauprozesses sowie die Zeiten für das Aufheizen und Abkühlen. Aus diesem Grund ist es effektiver und für das Partikelmaterial schonender, wenn das Material kurz vor dem Auftrag auf die entsprechende Temperatur gebracht wird. Vorrichtungen nach dem Stand der Technik verwenden dazu u.a. beheizte Beschichter. Hier wirkt sich nachteilig aus, dass die Zeit zum Aufheizen des Partikelmaterials begrenzt ist, denn vorteilhafterweise führt ein Beschichter einen Vorrat an Partikelmaterial mit, der nur für wenige Schichten ausreicht. Entsprechend wird das neu in den Beschichter abgefüllte Partikelmaterial in wenigen Minuten auf das Baufeld aufgetragen. Zudem kann kaum verhindert werden, dass sich aufgrund der Durchmischung im Beschichter auch nicht temperiertes Partikelmaterial auf das Baufeld abgegeben wird.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich ein begrenzter Partikelmaterialvorrat im Vorlagebehälter mit geringen energetischen Verlusten sicher vortemperieren und eine gewünschte Temperatur im Partikelmaterial einstellen. Das Material befindet sich dazu in größerer Menge in einem Silo bei Umgebungstemperatur und wird über eine Förderstrecke, z.B. einem Schraubenförderer auf Abruf in einem Vorlagebehälter gefördert. Der Abruf erfolgt, wenn ein definierter Füllstand im Behälter, der mittels eines Sensors detektiert wird, unterschritten ist. Der Vorlagebehälter ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet, wobei mit dieser das Partikelmaterial, wenn es am unteren Auslass in den Beschichter dosiert wird, auf 90-140°C aufgeheizt ist. Der Beschichter selbst verfügt z.B. über eine aktive Isolierung über an den Außenflächen angebrachte elektrisch beheizte Matten, die dafür sorgen, dass die Temperatur des Partikelmaterials beim Beschichten nicht absinkt. Auf dem Baufeld angekommen wird die neue Schicht von unten durch die vorhergehende Schicht und an der freien Oberseite vom Flächenstrahler auf die gewünschte Temperatur gebracht.
Es zeigt sich, dass die Vorrichtung zu einer gleichmäßigeren Baufeldtemperatur führt, als das mit einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik möglich ist. Insbesondere die Zonen am Rand des Baufeldes weisen eine insgesamt bessere Temperaturgleichmäßigkeit auf.
Bezugszeichenliste

1: Pulverreservoir
2: Beschichter (Recoater)
3: Beschichterklinge
4, 4.1: Verfahrrichtung (Richtung und Gegenrichtung)
5: Partikelmaterial (Partikelmaterialschüttung)
6: Partikelmaterialschichten auf Baufeld
6.1: Partikelmaterialschichten auf Baufeld
6.2: Partikelmaterialschichten auf Baufeld
7: Vorwärmbehälter
8: Heizelement
8.1: weiteres Heizelement
8.2: weiteres Heizelement
9, 9.1: Rippenrohrheizung
10: Verschluss (Partikelmaterialabgabemittel)
11: Oberflächenvergrößerung (Rippen) an Heizelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0431924 B1 [0002]
DE 102005022308 B4 [0006, 0013, 0018]
DE 102013004940 A1 [0007]
DE 102015006363 A1 [0008]

Claims

Vorwärmbehälter für Partikelmaterial (Baumaterial) geeignet für eine 3D-Druckvorrichtung, der ein oder mehrere Heizmittel aufweist, wobei das oder die Heizmittel in dem Bereich angeordnet sind, der für die Partikelmaterialaufnahme vorgesehen ist und wobei das oder die Heizmittel von dem Partikelmaterial im Wesentlichen umgeben ist.
Vorrichtung geeignet für ein 3D-Druckverfahren, wobei die Vorrichtung einen oder mehrere Vorwärmbehälter für Partikelmaterial aufweist, der oder die ein oder mehrere Heizmittel aufweisen, die von dem Partikelmaterial im Wesentlichen umgeben sind,.
Vorrichtung oder Vorwärmbehälter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der oder die ein oder mehrere Heizmittel Mittel zur an ihrer dem Partikelmaterial zugewandten Fläche eine Oberflächenvergrößerung aufweisen und als Verrippung, Lamelle oder andere geeignete Struktur ausgebildet sind, oder/und wobei der Vorwärmbehälter stationär ist, der Vorwärmbehälter über dem Baufeld oder/und seitlich über dem Baufeld stationär angeordnet ist oder der Vorwärmbehälter mit dem Beschichter gekoppelt ist.
Vorrichtung oder Vorwärmbehälter nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das oder die Heizmittel nicht und nicht zumindest teilweise in dem Vorwärmbehälter integriert sind oder/und nicht und nicht zumindest teilweise in den Seitenwänden, dem Bodenteil oder/und einer Beschichterklinge des Vorwärmbehälters integriert sind.
Vorrichtung oder Vorwärmbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Vorwärmbehälter ein Partikelmaterialabgabemittel aufweist und das Partikelmaterialabgabemittel zur Abgabe eines definierten Volumens an Partikelmaterial einstellbar ist, gegebenenfalls zur Abgabe in den oder die Beschichter oder direkt auf das Baufeld, wobei vorzugsweise das Partikelmaterialabgabemittel nicht als Klinge ausgestaltet ist.
Vorrichtung oder Vorwärmbehälter nach Anspruch 5, wobei das definierte Volumen im Wesentlichen dem Volumen einer Partikelmaterialschicht auf dem Baufeld entspricht oder dem 1,2 bis 1,9 Fachen des Volumens einer Partikelmaterialschicht auf dem Baufeld oder dem 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 Fachen des Volumens einer Partikelmaterialschicht auf dem Baufeld entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Vorwärmbehälter einem oder mehreren Beschichtern vorgeschaltet ist oder/und wobei in das oder die Heizmittel direkt eine Wärmequelle integriert ist oder/und wobei das oder die Heizmittel als Wärmeleiter ausgebildet sind, die Wärme aus einer außerhalb des Behälters befindlichen Quelle ins Innere leiten.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Wärmequelle als elektrisch betriebene Widerstandsheizung oder als Brennstoff betriebene Heizung ausgebildet sind oder/und wobei die Mittel zur Oberflächenvergrößerung so ausgebildet sind, dass sie den durch Schwerkraft bewirkten Materialabfluss nicht verhindern oder/und wobei die Heizmittel die Behälterwand im Wesentlichen nicht berühren.
Verfahren zur Herstellung eines Formteils mittels Partikelmaterialauftrag und selektiver Verfestigung und allen weiteren dafür notwendigen Verfahrensschritten und Verfahrensmitteln, wobei das Partikelmaterial vor dem Einbringen in den Beschichter oder/und vor dem Aufbringen auf das Baufeld in einem Vorwärmbehälter auf eine Zieltemperatur erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Zieltemperatur 50 °C bis 190 °C, vorzugsweise 50 °C bis 80 °C oder 90 °C bis 120 °C oder 120 °C bis 190 °C beträgt oder/und wobei der Vorwärmbehälter ein Partikelmaterialabgabemittel aufweist und das Partikelmaterialabgabemittel zur Abgabe eines definierten Volumens an Partikelmaterial eingestellt wird oder/und wobei das Partikelmaterial ein Sand, ein beschichteter Sand, ein Keramikpulver, ein Metallpulver, ein Polymer oder ein zellulosebasiertes Material ist oder/und wobei das Verfahren ein Phenolharzverfahren, ein High-Speed-Sintering-Verfahren oder ein Anorganik-Verfahren ist oder/und wobei der Bauraum oder/und das Baufeld auf eine definierte Temperatur eingestellt wird oder/und wobei ein Zyklus einer Beschichtung innerhalb von 20 bis 90, vorzugsweise von weniger als 60 Sekunden durchgeführt wird.