DE102023121405A1

DE102023121405A1 - Verfahren und Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils

Info

Publication number: DE102023121405A1
Application number: DE102023121405.5A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt Erfinder
Original assignee: Peri SE
Current assignee: Peri SE
Priority date: 2023-08-10
Filing date: 2023-08-10
Publication date: 2025-02-13
Also published as: CA3251440A1; US20250050587A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (2), wobei das gefertigte Bauteil (2) wenigstens zwei in einer horizontalen Ebene benachbarten Bauteilabschnitte (20, 30, 40, Bn) aufweist, die in wenigstens einem Verbindungsbereich (V) aneinander angrenzen; umfassend die Schritte: Planung des wenigstens einen Verbindungsbereichs (V) der aneinander angrenzenden Bauteilabschnitte (20, 30, 40, Bn); Steuerung einer Materialausgabeeinheit (4) zur Abscheidung eines Baustoffes; und Steuerung einer Aktuatorbaugruppe (5), die ausgebildet ist, die Materialausgabeeinheit (4) über eine Arbeitsfläche (6) zu bewegen, um den Baustoff schichtenweise in vorgegebenen Druckbahnen (D) abzuscheiden. Dabei werden zunächst wenigstens zwei aufeinandergeschichtete Druckbahnschichten (20₁, 20₂, 20_n) eines ersten der wenigstens zwei aneinander angrenzenden Bauteilabschnitte (20) und dann wenigstens eine Druckbahnschicht (30₁, 30₂, 30_n) eines zweiten der wenigstens zwei aneinander angrenzenden Bauteilabschnitte (30) abgeschieden. In dem geplanten Verbindungsbereich (V) grenzen Druckbahnabschnitte (22₁, 22₂, 22_n, 32₁, 32₂, 32_n) der Bauteilabschnitte (20, 30) aneinander an. Wenigstens ein oberer Druckbahnabschnitt (22₂) und wenigstens ein unterer Druckbahnabschnitt (22₁,) des ersten Bauteilabschnitts (20) sind mit einem horizontalen Versatz (hV) derart aufeinander geschichtet, dass eine Kollision der Materialausgabeeinheit mit den gedruckten Druckbahnschichten (20₁, 20₂, 20_n) des ersten Bauteilabschnitts (20) beim Drucken der wenigstens einen Druckbahnschicht (30₁, 30₂, 30_n) des zweiten Bauteilabschnitts (30) vermieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils, das wenigstens zwei aneinander angrenzende Bauteilabschnitte aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils, das wenigstens zwei aneinander angrenze Bauteilabschnitt aufweist, umfassend eine Materialausgabeeinheit zur Abscheidung eines Baustoffes und eine Aktuatorbaugruppe die ausgebildet ist, die Materialausgabeeinheit über eine Arbeitsfläche zu bewegen, um den Baustoff schichtenweise in vorgegebenen Druckbahnen abzuscheiden.
Verfahren und Vorrichtungen zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Objekten sind zur Herstellung von beispielsweise Modellen, Prototypen, Werkzeugen und Endprodukten hinlänglich bekannt. Dabei werden Ausgangsmaterialien bzw. Baustoffe in Form von Flüssigkeiten, Pulver oder Filamenten aus thermoplastischen Kunststoffen von einem an einem Endeffektor einer Aktuatorbaugruppe befestigten Druckkopf abgeschieden, um auf Grundlage von 3D-Daten des zu fertigenden Objekts das Objekt schichtweise aufzubauen. Ein derartiges Verfahren wird unter anderem auch als „generatives Fertigungsverfahren“ oder als „3D-Druck“ bezeichnet.
Mittlerweile ist es auch bekannt, additive Fertigungsverfahren zur Fertigung von ganzen Bauwerken oder Teilen von Bauwerken (beispielsweise Wänden oder Schalungen) zu verwenden. Die additive Fertigung von Bauteilen oder ganzen Bauwerken vermag die Produktivität im Bauwesen erheblich zu steigern. Durch den so genannten „3D-Betondruck“ werden Bauwerke schneller und zu geringeren Kosten herstellbar. Mithilfe eines 3D-Betondruckers lassen sich Betonstrukturen schnell und kostengünstig realisieren, bei gleichzeitig größter Gestaltungsfreiheit.
3D-Betondrucker werden regelmäßig in der so genannten Portalbauweise bereitgestellt. Dabei wird die Materialausgabeeinheit bzw. der Druckkopf an einem Querträger befestigt, der wiederum zwischen zwei parallel angeordneten Horizontalträgern oberhalb einer Arbeitsfläche verläuft. Die Materialausgabeeinheit ist entlang der Längsachse des Querträgers bewegbar, wobei sich außerdem auch der Querträger entlang der Längsachse der Horizontalträger vor- und zurückzubewegen vermag. Auf diese Weise ist eine horizontale Bewegung parallel zu der Arbeitsfläche in den vorgesehenen Druckbahnen möglich. Um außerdem eine vertikale Bewegung zu realisieren, sind die Horizontalträger vertikal bewegbar mit entsprechenden Vertikalstreben verbunden, die eine vertikale Führungsschiene ausbilden. Durch den genannten Aufbau kann sich die Materialausgabeeinheit in allen drei Raumrichtungen bewegen und additiv Gebäudestrukturen herstellen.
Um die Materialausgabeeinheit mit dem abzuscheidenden Baustoff zu versorgen, ist eine Zuleitung erforderlich, bei der es sich in der Regel um einen flexiblen Schlauch handelt (nachfolgend auch als „Förderschlauch“ bezeichnet).
Bei der herkömmlichen Bauweise ohne sogenannten 3D-Betondrucker werden üblicherweise Schalungssysteme zur Herstellung von Betonbauteilen verwendet. Rahmenschalungselemente werden derart zueinander angeordnet und fixiert, dass sie eine Gussform bilden, in die ein verfestigbarer Baustoff, d. h. ein zunächst flüssiger und sich dann verfestigender Baustoff, zumeist Beton, zur Herstellung eines Bauteils, eingebracht wird. Nach dem Verfestigen des Baustoffs werden die Rahmenschalungselemente im Regelfall entfernt. Dieses bekannte Verfahren ermöglicht es, sehr feine und glatte Oberflächen der Betonbauteile herzustellen, indem beispielsweise die Rahmenschalungselemente eine entsprechende Oberfläche an der Schalhaut aufweisen. Diese herkömmliche Bauweise hat jedoch zugleich den Nachteil, dass der Aufbau des Schalungssystems und der anschließende Abbau aufwändig und teuer sind.
Demgegenüber bietet der sogenannte 3D-Betondruck die Möglichkeit, ohne Auf- und Abbau eines zusätzlichen Schalungssystems, entsprechende Bauteile oder ganze Bauwerke zu formen. Das Baumaterial wird in einzelnen Schichten aufgetragen.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass eine optimale Anbindung der einzelnen Druckschichten und eine gleichmäßige Schichtbreite der aufeinander geschichteten Druckbahnschichten in einem nennenswerten Ausmaß von der Druckgeschwindigkeit, insbesondere von dem Zeitintervall zwischen dem Ausbringen einer ersten Druckbahnschicht und einer darauf aufgeschichteten zweiten Druckbahnschicht abhängt. So wurde in Untersuchungen festgestellt, dass für eine gute Anbindung die erste bzw. untere Druckbahnschicht bereits ausreichend abgekühlt sein muss, um die darauffolgende zweite Druckbahnschicht zu tragen. Zugleich sollte sie aber noch nicht zu stark abgekühlt sein, da sonst eine ausreichende Anbindung zwischen den aufeinandergeschichteten Druckbahnschicht nicht erreicht werden kann und die Struktur infolgedessen ggf. zusammenstürzen kann.
Die Druckqualität der einzelnen Druckbahnschichten ist ferner sowohl abhängig von der Ausbring-Geschwindigkeit, mit der der Baustoff ausgebracht wird, als auch von der Verfahr-Geschwindigkeit, mit der die Materialausgabeeinheit über die Arbeitsfläche bewegt bzw. verfahren wird. Für eine optimale Dichte und Breite der Druckbahnschichten müssen die Ausbring-Geschwindigkeit und die Verfahr-Geschwindigkeit aufeinander abgestimmt sein. Bei einer zu hohen Verfahr-Geschwindigkeit ohne entsprechende Anpassung der Ausbring-Geschwindigkeit ist beispielsweise mit einer erhöhten Porosität der Druckbahnschicht zu rechnen und die Schichtbreite nimmt ab, wenn nicht auch die Ausbringung des Baustoffs beschleunigt wird.
Aus den vorstehend genannten Faktoren einer optimalen Anbindung der Druckbahnschichten und einer optimalen Druckqualität der einzelnen Druckbahnschichten ergibt sich bei der Planung der Druckbahnen auch eine maximale Druckbahnlänge für eine optimale Qualität und Festigkeit des Druckergebnisses.
Weiterhin stellen die hohen Kosten der Portalbauweise bei sehr groß dimensionierten Druckprojekten den 3D-Druck von großen Bauwerken vor Herausforderungen. So führt eine Vergrößerung der Druckanlage zu einem signifikanten Anstieg der Anlagekosten und zugleich einer erhöhten Komplexität beim Aufbau der Anlage.
Eine auf den ersten Blick naheliegende Lösung für diese bekannten Probleme besteht darin, ein Bauteil in mehreren Bauteilabschnitten zu fertigen bzw. zu drucken.
Eine sich hieraus unmittelbar ergebende neue Schwierigkeit, die dieser Lösung bislang entgegenstand, ist die Anbindung der separat gedruckten Bauteilabschnitte aneinander bzw. miteinander.
So stellt ein erster gedruckter Bauteilabschnitt ein Hindernis für die Materialausgabeeinheit dar, wenn diese einen daran angrenzenden Bauteilabschnitt drucken soll.
Um den ersten Bauteilabschnitt nicht beim Drucken des zweiten Bauteilabschnitts zu beschädigen wird daher in der Praxis ein nennenswerter Abstand zwischen den Bauteilabschnitten gelassen, wie beispielsweise in der Druckschrift PL 238057 B1 beschrieben.
Die Druckschrift PL 238057 B1 beschreibt ein Verfahren zur Verbindung von Wandteilen, die separat voneinander gefertigt wurden. Dabei werden die Endabschnitte der benachbarten Wandteile darüber verbunden, dass nachträglich der Spalt zwischen den Wandteilen mit Baustoff aufgefüllt wird. Der technisch erforderliche Spalt zwischen den benachbarten Wandteilen, der sich daraus ergibt, dass der Druckkopf beim Drucken des zweiten Wandteils Abstand zu dem bereits gedruckten ersten Wandteil halten muss, wird seitlich durch Heizplatten, vergleichbar mit beheizten Rahmenschalungselementen, begrenzt. Durch die zusätzliche Beheizung der seitlichen Heizplatten können Temperaturunterschiede zwischen den beiden zu verbindenden Wandteilen ausgeglichen werden und unerwünschte Spannungen vermindert werden.
Die Druckschrift US 10639844 B2 offenbart ein Verfahren zur additiven Fertigung eines mehrteiligen Bauteils, wobei zunächst ein erster Bauteilabschnitt und dann ein zweiter Bauteilabschnitt separat voneinander gefertigt werden, die nachträglich miteinander verbunden werden, beispielsweise über eine formschlüssige Verbindungsstruktur, und gemeinsam ausgehärtet werden.
Hierbei werden die einzelnen Bauteilabschnitte somit zunächst vollständig losgelöst voneinander, wie Puzzleteile, gefertigt, dann in Kontakt miteinander gebracht und ggf. über einen Formschluss miteinander verbunden, um gemeinsam auszuhärten. Der Verbindungsprozess der noch nicht ausgehärteten Bauteilabschnitte stellt somit eine nennenswerte prozesstechnische Herausforderung dar. Weiterhin schlägt dieses Patent vor, die Kontaktstellen als Vorbereitung der Kontaktierung zu befeuchten („washing“), was den zugehörigen Aufwand weiter erhöht.
Aus der Druckschrift CN104328845 ist weiterhin eine Lösung bekannt, bei der zwei Bauteile einer verstärkten Wand unabhängig voneinander hergestellt werden und dann mittels 3D Drucks die Wandteile verstärkt werden. Bei dieser Lösung werden Versteifelemente, wie Metallriegel in vorgeformten Ausnehmungen der Wandteile aufgenommen und dazu genutzt, um die benachbarten Wandteile zu verbinden.
Zunächst werden ein erstes Wandteil bzw. ein zweites Wandteil der verstärkten Wand durch Anwendung der 3D-Drucktechnologie hergestellt. Dabei bilden das Endteil des ersten Wandteils und das Endteil des zweiten Wandteils jeweils einen Stoßfugenschlitz. Horizontale Stahlstäbe bzw. -riegel sind jeweils in dem ersten Wandteil und dem zweiten Wandteil verankert und ein Ende jedes horizontalen Stahlstabs ragt in den entsprechenden Stoßfugenschlitz hinein und bildet ein sogenanntes Verankerungsende.
Weiterhin werden der Stoßverbindungsschlitz des ersten Wandteils und der Stoßverbindungsschlitz des zweiten Wandteils in einer Stoßverbindungsweise angeordnet, um einen Stoßverbindungsraum zu bilden. In den ersten Wandteil, den Stoßverbindungsraum und den zweiten Wandteil werden in Intervallen jeweils vertikale Stahlstäbe eingesetzt.
Um schließlich eine verstärkte 3D-gedruckte Wand zu bilden wird Beton in den ersten Wandteil, den Stoßverbindungsraum und den zweiten Wandteil gegossen. Durch das Verbindungsverfahren und die Verbindungsstruktur für die 3D-gedruckte Scherwand aus bewehrtem Mauerwerk sollen erdbebensichere Eigenschaften und Wärmedämmeigenschaften der 3D-gedruckten Wand gewährleistet werden.
Weiterhin ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Bauteile mehrteilig, insbesondere mit einer später zu entfernenden Stützstruktur zu fertigen. Diesbezüglich wird auf die WO 2019/241286 A1 verwiesen.
Es zeigt sich an den bekannten Lösungen, dass die Verbindung einzelner Bauteilabschnitte komplexe und kostenintensive Lösungen und Nachbearbeitungsschritte erfordert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgegenüber darin, eine einfache Lösung zum additiven Fertigen mehrteiliger Bauteile bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Weiterhin schlägt die vorliegende Erfindung zur Lösung der Aufgabe eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 vor.
Die abhängigen Ansprüche und die nachfolgend beschriebenen Merkmale betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung.
Es ist ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils vorgesehen, vorzugsweise zur additiven Fertigung von Bauwerken oder Bauteilen von Bauwerken auf einer Arbeitsfläche bzw. einem Untergrund.
Das zu fertigende Bauteil kann insbesondere Teil eines Bauwerks oder einer Schalung sein. Bei dem Bauteil kann es sich auch um ein vollständiges Bauwerk oder um eine vollständige Schalung handeln. Grundsätzlich können beliebige Bauteile mit dem erfindungsgemäßen Verfahren additiv gefertigt werden.
Als Bauwerke können im Rahmen der Erfindung Bauwerke aller Art, insbesondere aber Schutzbauten, wie Gebäude zur Unterbringung und zum Aufenthalt von Menschen oder Tieren, Schutzwälle, Deiche, Schutzräume, Einfriedungen, Wehr- und Befestigungsanlagen, Stadtmauern und Gefängnismauern verstanden werden. Es kann sich bei einem Bauwerk allerdings auch um ein Verkehrsbauwerk handeln, beispielsweise um eine Straße, einen Fußgängerweg, eine Brücke oder einen Tunnel. Auch Ver- und Entsorgungsbauwerke wie Brunnen, Klärwerke, Staudämme, Schornsteine oder temporäre Bauwerke können im Rahmen der Erfindung additiv gefertigt werden.
Bei einem Bauteil eines Bauwerks kann es sich im Rahmen der Erfindung insbesondere um eine funktionelle Komponente eines Bauwerks handeln, insbesondere um einen funktionell oder geometrisch zusammenhängenden Teil des Bauwerks, wie zum Beispiel eine Wand, eine Stütze oder eine Treppe. Auch ein Gebäudeteil aus mehreren Bestandteilen des Bauwerks (zum Beispiel ein Stockwerk bzw. eine Etage eines Gebäudes) kann unter dem Begriff „Bauteil“ im Rahmen der Erfindung zusammengefasst sein. Auch bei einer Schalung bzw. einem Schalungsbauteil kann es sich um ein Bauteil im Rahmen der Erfindung handeln, insbesondere wenn das Schalungsbauteil bzw. die Schalung anschließend einen Teil des Bauwerks, beispielsweise den äußeren Teil einer Wandung des Bauwerks, bildet.
Es können durch das vorgeschlagene Verfahren auch mehrere Bauteile gefertigt werden, gegebenenfalls auch nicht miteinander zusammenhängende Bauteile.
Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Lösung besteht jedoch darin, dass das Bauteil in mehreren Bauteilabschnitten gedruckt wird, beispielsweise in zwei in einer horizontalen Ebene benachbarten Bauteilabschnitten, die in wenigstens einem Verbindungsbereich aneinander angrenzen.
Dabei umfasst der Begriff „aneinander angrenzen“, dass die in einer horizontalen Ebene benachbarten Bauteilabschnitte unmittelbar aneinander angrenzen, d.h. auch ineinander übergehen können.
Allerdings sollen im Sinne der vorliegenden Erfindung auch solche Lösungen mitumfasst sein, bei denen in dem wenigstens einen Verbindungsbereich zwischen den Bauteilabschnitten ein geringfügiger Spalt verbleibt, der jedoch kleiner ist als bei einer additiven Fertigung ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
So ist bekannt, dass bei den bereits auf dem Markt erhältlichen Lösungen zumindest ein horizontaler Spalt im Bereich der Anschlussstelle zweier separat gedruckter Bauteilabschnitte verbleibt. Dies ist, wie vorstehend bereits in Zusammenhang mit beispielsweise der Offenbarung der PL 23 80 57 B1 ausgeführt, darauf zurückzuführen, dass bei der additiven Fertigung eine Beschädigung bereits gedruckter Bauteilabschnitte in Folge einer Kollision mit der Materialausgabeeinheit vermieden werden soll. Hieraus ergibt sich ein Mindestspalt zwischen den in einer Ebene benachbarten Bauteilabschnitten, der im Sinne des Begriffs „aneinander angrenzen“ mit Hilfe der vorliegenden Erfindung unterschritten werden kann.
Erfindungsgemäß weist das Verfahren die Schritte auf: Planung des wenigstens einen Verbindungsbereich der aneinander angrenzenden Bauteilabschnitte; Steuerung einer Materialausgabeeinheit zur Abscheidung eines Baustoffes; und Steuerung einer Aktuatorbaugruppe, die ausgebildet ist, die Materialausgabeeinheit über eine Arbeitsfläche zu bewegen, um den Baustoff schichtenweise in vorgegebenen Druckbahnen abzuscheiden.
Auf diese Weise werden zunächst wenigstens zwei aufeinandergeschichtete Druckbahnschichten eines ersten der wenigstens zwei aneinander angrenzenden Bauteilabschnitte und dann wenigstens eine Druckbahnschicht eines zweiten der wenigstens zwei in einer horizontalen Ebene aneinander angrenzenden Bauteilabschnitte gedruckt.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Materialausgabeeinheit ausgebildet ist, als Baustoff fließfähig angemischten Beton („Frischbeton“) oder Mörtel bzw. Trockenmörtel abzuscheiden.
Vorzugsweise wird eine Betonrezeptur mit kleiner Gesteinskörnung angestrebt. Insbesondere kann ein Beton vorgesehen sein, der schnell abbindet und insbesondere eine hohe Grünstandfestigkeit aufweist. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Beton eines oder mehrere Additive aufweist, beispielsweise um ein zu schnelles Austrocknen zu verhindern, um die Pumpfähigkeit zu erhöhen und/oder um die Farbe zu modifizieren.
Es kann beispielsweise eine Gesteinskörnung von bis zu 10 mm oder mehr, vorzugsweise von bis zu 6 mm, besonders bevorzugt von bis zu 4 mm vorgesehen sein.
Alternativ zur Verwendung von Beton oder Mörtel als Baustoff kann aber auch ein beliebiger anderer Baustoff vorgesehen sein, der sich zur Fertigung bzw. zur Errichtung von Bauwerken oder deren Bauteilen eignen kann, insbesondere Polymerbeton, Gips, Lehm, ein Kunststoff, vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff, aber auch Metalle oder Legierungen. Im Rahmen der Erfindung können grundsätzlich beliebige Baustoffe vorgesehen sein.
Grundsätzlich kann das Bauteil aus einem, zwei, drei, vier oder noch mehr Ausgangsmaterialien bzw. Baustoffen hergestellt werden. Beispielsweise können verschiedene Betonmischungen, Kunststoffe, Metalle und/oder Legierungen beliebig miteinander kombiniert werden. Entsprechend können auch die Bauteilabschnitte grundsätzlich aus unterschiedlichen Ausgangsmaterialien bzw. Baustoffen hergestellt werden. Sollen diese im Verbindungsbereich tatsächlich miteinander verbunden werden, ist bei der Auswahl der gegebenenfalls unterschiedlichen Ausgangsmaterialien bzw. Baustoffe darauf zu achten, dass diese sich miteinander verbinden lassen.
Die Materialausgabeeinheit kann ausgebildet sein, um den Baustoff in einer definierten Form auszubringen, beispielsweise in Druckbahnschichten mit rechteckigen oder runden Kanten. Die einzelnen Druckbahnschichten können im Querschnitt beispielsweise rechteckig (quadratisch oder länglich), rund oder oval ausgebracht werden. Vorzugsweise gibt die Materialausgabeeinheit den Baustoff in der vorgesehenen Wandungsdicke des zu druckenden Bauteils aus.
Die Materialausgabeeinheit kann eine Ausbringöffnung aufweisen, um den Baustoff auszubringen. Die Ausbringöffnung kann dabei unterschiedliche Geometrien aufweisen, die vorgeben, wie der Baustoff abgeschieden wird, beispielsweise mit einem runden Querschnitt oder einem rechteckigen Querschnitt versehen sein. Durch die Ausgabeöffnung verläuft als Normale auf die Arbeitsfläche eine Drucknormale der Materialausgabeeinheit, welche zu einer Längsachse der Materialausgabeeinheit parallel angeordnet sein kann oder mit dieser zusammenfallen kann.
Weiterhin kann die Materialausgabeeinheit (auch als Druckkopf bezeichnet) in bekannter Weise einen sogenannten Hopper zur Aufnahme des zugeführten Baustoffs, sowie eine Düse aufweisen, welche die Ausgabeöffnung umfasst und die Form der ausgebrachten Druckbahnschichten vorgibt. Die Düse kann in einer denkbaren Ausführungsform austauschbar und relativ zu dem Hopper bewegbar, insbesondere um die Längsachse der Materialausgabeeinheit drehbar sein. Die Düse kann in einer alternativen Ausführungsform auch als integraler Bestandteil der Materialausgabeeinheit ausgebildet sein und eine Ausgabeöffnung definieren. Die Ausgabeöffnung definiert unabhängig von der Ausgestaltung der Düse das proximale (bezogen auf die Arbeitsfläche) Ende der Materialausgabeeinheit. Dabei weist das proximale Ende in der Regel eine horizontale Endfläche auf, die seitlich durch eine radiale Außenkante des proximalen Endes begrenzt ist.
Die Materialausgabeeinheit kann zudem eine Reihe von sensorischen, mechanischen und/oder mechatronischen Elementen umfassen, die eine Ansteuerung der Materialausgabeeinheit und von Teilen der Materialausgabeeinheit ermöglichen und/oder eine sensorische Überwachung des Fertigungsprozesses bereitstellen. Diese Elemente können zumindest teilweise in einer sogenannten E-Box (Elektronikbox) der Materialausgabeeinheit untergebracht sein. Weiterhin kann in der E-Box eine Steuereinheit aufgenommen sein, die zur Verarbeitung von Signalen dieser Elemente und/oder zum Steuern der genannten Elemente dienen kann.
Es ist nachvollziehbar, dass alle Teile der Materialausgabeeinheit, die sich radial von der Drucknormalen weg erstrecken, zu einer Kollision mit bestehenden Bauteilstrukturen führen können.
Dementsprechend bestand eine aus dem Stand der Technik bekannte Lösung der Firma APIS COR darin, eine Materialausgabeeinheit mit einem bezogen auf die Arbeitsfläche proximalen Gehäuseteil bereitzustellen, das in der Art eines Rohrs ausgebildet ist. Im Bereich des rohrförmigen proximalen Gehäuseteils erstrecken sich das Gehäuse und Anbauteile der Materialausgabeeinheit, sofern vorgesehen, nur geringfügig radial über die Außenkontur der Ausgabeöffnung der Materialausgabeeinheit hinaus. Dementsprechend kann der Spalt zwischen den Bauteilabschnitten auf vorteilhafte Weise deutlich reduziert werden.
Hieraus ergeben sich aber auch eine Vielzahl unerwünschter Beschränkungen für die Materialausgabeeinheit und deren Komponenten. Insbesondere lässt sich diese Lösung nicht bei einem ersten Bauteilabschnitt mit einer Vielzahl von aufeinander geschichteten Druckbahnschichten anwenden. Stattdessen beschränkt die Länge des rohrförmigen proximalen Gehäuseteils die maximale Höhe (die maximale Anzahl an Druckschichten) des ersten zu druckenden Bauteilabschnitts.
Demgemäß schlägt die vorliegende Erfindung nicht eine Anpassung der Materialausgabeeinheit, sondern eine Anpassung und damit Planung des wenigstens einen Verbindungsbereichs der Bauteilabschnitte zur Vermeidung von unerwünschten Kollisionen der Materialausgabeeinheit mit einem bereits gedruckten Bauteilabschnitt vor.
Die Planung kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl manuell durch einen Anwender als auch automatisiert oder halbautomatisiert mittels oder unter Zuhilfenahme der Steuereinheit und/oder weiterer Komponenten erfolgen.
So kann der Anwender manuell oder mit Hilfe von typischen Planungstools die Anordnung der Druckbahnen und insbesondere der Druckbahnabschnitte planen und als entsprechende STL-Daten oder sonstige 3D-Daten an die Steuereinheit weitergeben.
Weiterhin kann die Steuereinheit beispielsweise dazu eingerichtet sein, um anhand der STL-Daten (oder anhand sonstiger 3D-Daten) die Bauteildaten in Druckerdaten für einen 3D-Druck (bzw. für die additive Fertigung) umzuwandeln. Hierfür kann unter anderem vorgesehen sein, die 3D-Daten bzw. STL-Daten in einzelne zu druckende Schichten umzuwandeln (sogenanntes „Slicen“), wonach für die einzelnen Schichten die Druckbahnen berechnet werden, um die Bewegungen der Materialausgabeeinheit vorzugeben. In vorteilhafter Weise können hierbei auch das verwendete Baustoffmaterial, Umgebungsbedingungen, Geometrien etc. erkannt und zugrunde gelegt werden.
Alternativ kann auch die Umwandlung der manuell geplanten 3D-Daten in Druckerdaten manuell erfolgen oder bereits die Anordnung der Druckbahnabschnitte und Verbindungsabschnitte automatisiert von der Steuereinheit selbst geplant werden.
Entscheidend ist im Lichte der vorstehend beschrieben Einschränkungen, die sich zwangsläufig aus der Geometrie der Materialausgabeeinheit ergeben, dass der wenigstens eine Verbindungsbereich, also der Bereich in dem die Bauteilabschnitte in einer horizontalen Ebene aneinander angrenzen, nicht, wie bislang, eine in vertikaler Richtung bündige Anschlussstelle ausbildet, sondern, wie nachfolgend im Zusammenhang mit der Erfindung detailliert ausgeführt wird, unter Berücksichtigung der Materialausgabeeinheit geplant wird.
Das Verfahren umfasst weiterhin die Steuerung einer Aktuatorbaugruppe, die ausgebildet ist, die Materialausgabeeinheit über eine Arbeitsfläche zu bewegen, um den Baustoff schichtenweise in vorgegebenen Druckbahnen abzuscheiden.
Bei der Arbeitsfläche kann es sich um einem Untergrund handeln - im Rahmen der Erfindung insbesondere um einen Baugrund und/oder ein Fundament, auf dem das Bauteil bzw. Bauwerk errichtet wird.
Bei der erfindungsgemäßen Arbeitsfläche kann es sich allerdings auch um ein Stockwerk eines mehrstöckigen Gebäudes oder um eine mobile, bewegliche Arbeitsfläche handeln. Beispielsweise kann vorgesehen sein, das Bauwerk samt Arbeitsfläche bzw. Untergrund nach der additiven Fertigung bis zu seinem vorgesehenen Aufstellort zu transportieren. Weiterkann, insbesondere dann, wenn die Bauteilabschnitte ihrerseits nur abschnittsweise bis zu einer bestimmten Schichtenanzahl gedruckt werden, der bereits gedruckte Teilabschnitt des jeweiligen Bauteilabschnitts die Arbeitsfläche für einen weiteren hierauf aufgeschichteten Teilabschnitt des Bauteilabschnitts bilden.
Grundsätzlich kann sich jede Fläche, auf der das Bauwerk errichtet werden kann (dauerhaft oder vorübergehend) als Arbeitsfläche im Rahmen der Erfindung eignen.
Die Druckbahn, entlang der die Materialausgabeeinheit den Baustoff abscheidet, kann auf Grundlage von 3D-Daten des Bauteils berechnet werden. Entsprechende Verfahrensschritte sind bekannt. Bei den 3D-Daten des Bauteils kann es sich insbesondere um dreidimensionale CAD-Daten handeln. Das Bauteil kann in den Daten insbesondere durch Punktewolken, Kantenmodelle, Flächenmodelle und/oder Volumenmodelle repräsentiert sein.
Derartige 3D-Daten können auch bei der manuellen Planung durch einen Anwender zugrunde gelegt werden.
Wenn im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung der Planung des Verbindungsbereichs von „gedruckten“ Druckbahnschichten die Rede ist, dann sind damit nicht tatsächlich gedruckte Druckbahnschichten gemeint, sondern die Druckbahnschichten eines Bauteilabschnitts, der gemäß der Planung bereits gedruckt sein sollte, wenn ein nachfolgender Bauteilabschnitt gedruckt werden soll.
Es kann eine Steuereinheit vorgesehen sein, die das Verfahren oder einzelne Verfahrensschritte gemäß der vorliegenden Erfindung steuert und/oder regelt, beispielsweise die Steuerung der Materialausgabeeinheit zur Abscheidung eines Baustoffes und/oder die Steuerung der Aktuatorbaugruppe, die ausgebildet ist, die Materialausgabeeinheit über eine Arbeitsfläche zu bewegen, um den Baustoff schichtenweise in vorgegebenen Druckbahnen abzuscheiden.
Beispielsweise kann die Steuereinheit zur Berechnung der Druckbahn anhand der eingegebenen 3D-Daten eingerichtet sein. Die Steuereinheit kann beispielsweise eingerichtet sein, um aus den 3D-Daten des Bauteils ein virtuelles Modell des Bauteils im bekannten STL-Format („Standard Triangulation/Tesselation Language“-Format) oder STEP-Format („Standard for the Exchange of Product model data“-Format) zu berechnen.
Die Steuereinheit kann insbesondere auch unter Berücksichtigung des wenigstens einen geplanten Verbindungsbereichs die Struktur der Druckbahnen und Druckbahnschichten im Verbindungsbereich anpassen. Im Rahmen des STL-Formats können die Bauteildaten mit Hilfe von Dreiecksfacetten beschrieben werden. Das Prinzip ist bekannt und wird demnach nicht näher beschrieben.
Eine STL-Schnittstelle ist eine Standardschnittstelle vieler CAD-Systeme. Vorliegend kann die Steuereinheit eingerichtet sein, um aus beliebigen 3D-CAD-Daten zunächst STL-Daten für die Weiterverarbeitung zu berechnen. Die Steuereinheit kann allerdings auch eingerichtet sein, bereits 3D-Daten im STL-Format aufzunehmen und weiterzuverarbeiten. Grundsätzlich kann auch ein beliebiges anderes Datenformat vorgesehen sein.
Unabhängig davon, ob die STL-Daten von der Steuereinheit selbst erzeugt oder nur an diese übertragen wurden, kann die Steuereinheit eingerichtet sein, um anhand der STL-Daten (oder anhand sonstiger 3D-Daten) die Bauteildaten in Druckerdaten für einen 3D-Druck (bzw. für die additive Fertigung) umzuwandeln.
Die Steuereinheit kann folglich dazu eingerichtet sein, die Materialausgabeeinheit in Abhängigkeit der Druckbahnen anzusteuern und/oder um die Ausbringung bzw. das Abscheiden des Baustoffs zu regulieren. Dementsprechend kann die Steuereinheit auch zur Steuerung der Aktuatorbaugruppe eingerichtet sein oder es kann eine zusätzliche Steuereinheit zur Steuerung der Aktuatorbaugruppe vorgesehen sein.
Die Aktuatorbaugruppe kann eingerichtet sein, die Materialausgabeeinheit relativ zu der Arbeitsfläche zu bewegen, insbesondere oberhalb bzw. über der Arbeitsfläche, vorzugsweise parallel und/oder orthogonal zu der Arbeitsfläche. Die Aktuatorbaugruppe kann außerdem eingerichtet sein, die Materialausgabeeinheit in Bezug auf die Arbeitsfläche vertikal zu bewegen, also die Höhe der Materialausgabeeinheit relativ zu der Arbeitsfläche festzulegen. Die Aktuatorbaugruppe kann schließlich für eine horizontale und/oder vertikale Bewegung der Materialausgabeeinheit sorgen, indem die Materialausgabeeinheit entlang entsprechend ausgerichteter Führungen (insbesondere die nachfolgend noch genannten Horizontalführungen und die Vertikalführung) bewegt wird.
Insofern im Rahmen der Erfindung von einer „vertikalen“ oder „horizontalen“ Richtung gesprochen wird, so ist die vertikale Richtung bezogen auf das Lot zu dem Untergrund bzw. zu der Arbeitsfläche und die horizontale Richtung hierzu rechtwinklig zu verstehen, vorbehaltlich toleranz- bzw. praxisbedingter Winkelabweichungen, die den Verfahrensablauf nicht störend beeinträchtigen.
Für die Bewegung der Materialausgabeeinheit mittels der Aktuatorbaugruppe kann ein Aktuator oder können mehrere Aktuatoren vorgesehen sein, die beispielsweise von der bereits genannten Steuereinheit einzeln oder in Gruppen entsprechend ansteuerbar sind. Auch eine manuelle Ansteuerung, bis hin zu einer rein manuellen Bewegungseinleitung, kann vorgesehen sein - auf Aktuatoren kann in diesem Fall gegebenenfalls sogar verzichtet werden, wobei die Aktuatoren auch ausgebildet sein können, die manuell / mechanisch eingeleitete Bewegung zu unterstützen.
Insbesondere weist die Aktuatorbaugruppe für die Bewegung der Materialausgabeeinheit zumindest eine erste Horizontalführung und eine zweite Horizontalführung auf. Die zweite Horizontalführung weist zumindest einen Endabschnitt auf (insbesondere zumindest ein Ende), über den sie mit der ersten Horizontalführung verbunden ist. Die zweite Horizontalführung ist entlang der ersten Horizontalführung bewegbar.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Materialausgabeeinheit quer zu der ersten Horizontalführung entlang der zweiten Horizontalführung bewegbar ist.
Auf vorteilhafte Weise kann die Materialausgabeeinheit in zumindest zwei Translationsfreiheitsgraden bewegt werden, um den Baustoff auszubringen. Durch die Möglichkeit der Bewegung entlang zweier Translationsfreiheitsgrade kann beispielsweise eine gerade verlaufende Wand eines Bauwerks additiv bzw. schichtweise gefertigt werden.
Die Materialausgabeeinheit kann direkt bzw. unmittelbar entlang der ersten und/oder zweiten Horizontalführung bewegbar sein, beispielsweise in der Art eines Schlittens oder einer Laufkatze, der bzw. die entlang der jeweiligen Horizontalführung verläuft. Die Materialausgabeeinheit kann allerdings auch indirekt bzw. mittelbar entlang der jeweiligen Horizontalführung bewegbar, beispielsweise indem sie unmittelbar entlang einer beliebigen sonstigen Führung bewegt wird, die wiederum an der jeweiligen Horizontalführung unmittelbar oder mittelbar beweglich befestigt ist. So kann beispielsweise die zweite Horizontalführung unmittelbar entlang der ersten Horizontalführung bewegt werden, an der die Materialausgabeeinheit mittelbar oder unmittelbar befestigt ist (z. B. in der Art eines Schlittens bzw. einer Laufkatze), so dass die Bewegung der zweiten Horizontalführung entlang der ersten Horizontalführung gleichsam die Materialausgabeeinheit entlang der ersten Horizontalführung bewegt.
Weiterhin kann die Vorrichtung eine Zuleitungsposition für eine mit der Materialausgabeeinheit verbindbare, flexible Zuleitung für den Baustoff aufweisen. Bei der flexiblen Zuleitung kann es sich beispielsweise um einen Förderschlauch für den Baustoff oder um den Baustoff in faseriger Form (insbesondere als Filament) handeln, der den Baustoff in den Hopper der Materialausgabeeinheit fördert.
Die Aktuatorbaugruppe zur Bewegung der Materialausgabeeinheit kann eine Vertikalführung aufweisen, entlang der die Materialausgabeeinheit vertikal zu der Arbeitsfläche (direkt oder indirekt, beispielsweise über eine Bewegung der ersten Horizontalführung) bewegbar ist.
Es kann jedoch vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Materialausgabeeinheit in allen drei Translationsfreiheitsgraden bewegt werden kann, um den Baustoff auszubringen. Insbesondere eine entlang aller Translationsfreiheitsgrade bewegliche Materialausgabeeinheit ermöglicht eine flexible Fertigung beliebiger dreidimensionaler Bauteile auf der Arbeitsfläche.
Vorzugsweise wird die Materialausgabeeinheit in zumindest vier Freiheitsgraden bewegt, insbesondere in allen drei Translationsfreiheitsgraden und zumindest einem Rotationsfreiheitsgrad. Besonders bevorzugt kann eine Bewegung entlang fünf Freiheitsgraden (vorzugsweise alle drei Translationsfreiheitsgrade und zumindest zwei Rotationsfreiheitsgrade) und ganz besonders bevorzugt entlang aller sechs Freiheitsgrade vorgesehen sein.
Insbesondere wenn die Materialausgabeeinheit in allen Translationsfreiheitsgraden und ergänzend in einem oder mehreren Rotationsfreiheitsgraden beweglich ist, können die einzelnen Druckbahnen mit höchster Flexibilität abgeschieden werden. Auf diese Weise kann die Geometrie des Bauwerks bzw. Bauteils nahezu beliebig vorgegeben werden.
Beispielsweise kann eine Drehung der Materialausgabeeinheit (oder eines Teils der Materialausgabeeinheit) während des Abscheidens des Baustoffs vorgesehen sein.
Es kann vorgesehen sein, dass die Materialausgabeeinheit an einem Endeffektor der Aktuatorbaugruppe befestigt ist und von der Aktuatorbaugruppe entlang der Druckbahn bewegt wird. Vorzugsweise ist der Endeffektor dabei als Laufkatze einer als Portalkraneinheit ausgebildeten Aktuatorbaugruppe ausgebildet, und entlang der Vertikalführung vertikal bewegbar (vorzugsweise indirekt durch Bewegung der Horizontalführung(en) entlang der Vertikalführung). Ein derartiges System ist auch unter dem Begriff „Portaldrucker“ bekannt.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass es sich bei der Aktuatorbaugruppe grundsätzlich auch um einen Roboter oder Roboterarm handeln kann, insbesondere um einen Industrie-Roboter. Beispielsweise kann ein Sechs-Achs-Roboter oder ein anderes Bewegungssystem, zum Beispiel ein Hexapod oder ein Fünf-Achs-System oder auch eine Kombination aus mehreren Bewegungseinheiten vorgesehen sein, um die Materialausgabeeinheit horizontal und/oder vertikal zu bewegen. Auch schwenkbare und/oder teleskopisch ausziehbare Bewegungseinheiten und/oder Seilzugsysteme können zur Ausbildung der Aktuatorbaugruppe vorgesehen sein.
Auch bei diesen Ausgestaltungen kann eine Anpassung der Druckbahnschichten und Planung des wenigstens einen Verbindungsbereichs zweier Bauteilabschnitte zur Vermeidung einer Kollision der Materialausgabeeinheit mit bereits gedruckten Bauteilabschnitten sinnvoll sein.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Zusammenhang mit Portaldruckern ist jedoch besonders vorteilhaft, da hier die bekannten Vorteile eines Portaldruckers insbesondere für die additive Fertigung großer Bauteile mit der erhöhten verfügbaren Bauteilgröße durch die Aufteilung in mehrere Bauteilabschnitte verbunden werden können.
Auf die konkrete Ausgestaltung der Vorrichtung kommt es jedoch im Rahmen der Erfindung nicht unbedingt an.
Auf vorteilhafte Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren an bestehenden Vorrichtungen angewandt werden. Zudem können die erfindungsgemäßen Merkmale einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch in einer bestehenden Vorrichtung nachgerüstet werden.
Erfindungsgemäß werden zunächst wenigstens zwei aufeinandergeschichtete Druckbahnschichten eines ersten der wenigstens zwei aneinander angrenzenden Bauteilabschnitte und dann wenigstens eine Druckbahnschicht eines zweiten der wenigstens zwei aneinander angrenzenden Bauteilabschnitte abgeschieden.
Auf diese Weise kann für eine optimale Verbindung der aufeinandergeschichteten Druckbahnschichten eines Bauteilabschnitts untereinander eine optimierte Druckbahnlänge der Druckbahnen des Bauteilabschnitts gewählt werden, unabhängig von der Gesamtgröße des zu fertigenden Bauteils.
Selbstverständlich können auch mehrere Bauteilabschnitte, d.h. mehr als zwei in einer horizontalen Ebene benachbarte Bauteilabschnitte gemeinsam das zu fertigende Bauteil bilden. Dementsprechend können auch mehrere Verbindungsbereiche vorgesehen sein. Sofern im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und Ansprüche auf einen „ersten“ Bauteilabschnitt und einen „zweiten“ Bauteilabschnitt Bezug genommen wird, soll dadurch einzige die Druckreihenfolge klargestellt werden, d.h. ein erster Bauteilabschnitt ist bereits vor einem zweiten Bauteilabschnitt gedruckt oder soll gemäß der Planung vor einem zweiten Bauteilabschnitt gedruckt werden. Somit sind die Ausführungen selbstverständlich durchwegs auch auf weitere Bauteilabschnitte, wie einen „dritten“ Bauteilabschnitt, einen „vierten“ Bauteilabschnitt oder einen „fünften“ Bauteilabschnitt anwendbar und nicht auf den ersten und zweiten Bauteilabschnitt begrenzt.
Zudem können zwei in einer horizontalen Ebene benachbarte Bauteilabschnitte auch in mehr als einem einzigen Verbindungsbereich aneinander angrenzen
Weiterhin kann der erste Bauteilabschnitt selbstverständlich auch mehr als zwei aufeinandergeschichtete Druckbahnschichten aufweisen. Entscheidend ist nur, dass eine Teilstruktur oder ein Teilabschnitt des ersten Bauteilabschnitts mit mehreren aufeinandergeschichteten Druckbahnschichten bereits gedruckt wurde, an die angrenzend wenigstens eine Druckbahnschicht eines zweiten in einer horizontalen Ebene angrenzenden Bauteilabschnitt abgeschieden werden soll.
Erfindungsgemäß weist die wenigstens eine Druckbahnschicht des zweiten Bauteilabschnitts in dem wenigstens einen Verbindungsbereich einen Druckbahnabschnitt auf, der angrenzend an einen Druckbahnabschnitt einer korrespondierenden Druckbahnschicht des ersten Bauteilabschnitts von der Materialausgabeeinheit abgeschieden wird, damit die korrespondierenden Druckbahnschichten der wenigstens zwei Bauteilabschnitte in dem wenigstens einen Verbindungsbereich aneinander anzugrenzen vermögen. Selbstverständlich kann der zweite Bauteilabschnitt auch mehr als eine Druckbahnschicht aufweisen.
Die Druckbahnabschnitte im Sinne der vorliegenden Erfindung sind somit die Abschnitte der Druckbahnen und Druckbahnschichten, die in einer horizontalen Ebene angrenzend an (Druckbahn-)Abschnitte von Druckbahnen und Druckbahnschichten eines weiteren Bauteilabschnitts ausgebildet sind.
In dem wenigstens einen Verbindungsbereich können die Druckbahnschichten des ersten Bauteilabschnitts jeweils wenigstens einen Druckbahnabschnitt aufweisen, wobei die Druckbahnabschnitte der Druckbahnschichten des ersten Bauteilabschnitts bei dem gefertigten Bauteil an Druckbahnabschnitte der korrespondierenden Druckbahnschichten des zweiten Bauteilabschnitts angrenzen. Dabei bezeichnen die „korrespondieren“ Druckbahnschichten diejenigen Druckbahnschichten, die in der gleichen Schichthöhe und damit in einer gemeinsamen horizontalen Ebene angeordnet sind.
Ein Druckbahnabschnitt kann ein freies Ende einer Druckbahnschicht und/oder einen anderen Abschnitt der Druckbahnschicht umfassen.
In einer beispielhaften besonders einfachen Ausgestaltung kann das Bauteil wenigstens zwei einwandig ausgebildete Bauteilabschnitte aufweisen, die zumindest im Bereich eines ihrer Druckbahnenden aneinander angrenzen.
In einer alternativen beispielhaften Ausgestaltung kann das Bauteil wenigstens zwei Bauteilabschnitte aufweisen, die jeweils parallel zueinander verlaufende Druckbahnabschnitte aufweisen, die in einem Verbindungsbereich aneinander angrenzen.
Insbesondere kann dies der Fall sein, wenn die Bauteilabschnitte jeweils eine im Verbindungsbereich seitlich geschlossene Struktur, beispielweise einen seitlichen Abschluss einer Doppelwand, umfassen. Der Grundriss kann dabei zwei im Wesentlichen parallel verlaufende Abschnitte (die die zwei Wände der doppelwandigen Struktur bilden) aufweisen, die endseitig durch einen Verbindungssteg verbunden sind. In diesem Fall kann der Verbindungsbereich der wenigstens zwei Bauteilabschnitte die zwei Verbindungsstege als zwei aneinander angrenzende Druckbahnabschnitte umfassen.
Es ist auch möglich, dass in einem Verbindungsbereich mehrere Druckbahnabschnitte einer Druckbahnschicht des ersten Bauteilabschnitts an einen oder mehrere Druckbahnabschnitte einer korrespondieren Druckbahnschicht des zweiten Bauteilabschnitts angrenzen. Dies kann beispielsweise dann von Vorteil sein, wenn das Bauteil doppelwandige Bauteilabschnitte umfasst, die seitlich im Verbindungsbereich geschlossen sind, jedoch Unterbrechungen in der Druckbahnschicht aufweisen, beispielsweise um später Leitungen, Kabel oder dergleichen hindurchzuführen.
Selbstverständlich sind auch Mischformen der beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen denkbar, beispielsweise eine Verbindung eines das freie Ende einer Druckbahnschicht umfassenden Druckbahnabschnitts mit einem durch einen nicht-endseitigen Druckbahnabschnitt gebildeten Bereich einer Druckbahnschicht.
Auch kann ein erster Bauteilabschnitt an mehrere weitere Bauteilabschnitte angrenzen, wobei die weiteren Bauteilabschnitte in unterschiedlichen Verbindungsbereichen oder in dem gleichen Verbindungsbereich an den ersten Bauteilabschnitt angrenzen können.
Erfindungsgemäß sind wenigstens ein oberer Druckbahnabschnitt und wenigstens ein unterer Druckbahnabschnitt der wenigstens zwei aufeinandergeschichteten Druckbahnschichten des ersten Bauteilabschnitts mit einem horizontalen Versatz derart aufeinander geschichtet, dass eine Kollision der Materialausgabeeinheit mit den gedruckten Druckbahnschichten des ersten Bauteilabschnitts beim Drucken der wenigstens einen Druckbahnschicht des zweiten Bauteilabschnitts vermieden wird.
Die Planung des wenigstens einen Verbindungsbereichs umfasst die Planung dieses horizontalen Versatzes des wenigstens einen oberen Druckbahnabschnitt gegenüber dem wenigstens einen unterer Druckbahnabschnitt.
Der Baustoff wird schichtweise abgeschieden, wobei die additiv aufeinander aufgebrachten Schichten bzw. Druckbahnen sich miteinander verbinden und einen ersten Bauteilabschnitt ausbilden.
In dem geplanten Verbindungsbereich des zu fertigenden Bauteils, in dem der erste Bauteilabschnitt wenigstens an einen zweiten Bauteilabschnitt angrenzen wird, werden die Druckbahnschichten nicht unmittelbar aufeinander geschichtet, sondern der erste Bauteilabschnitt weist wenigstens einen Druckbahnabschnitt einer unteren Druckbahnschicht und einen Druckbahnabschnitt einer gegenüber dieser unteren Druckbahnschicht oberen, d.h. nachfolgend abgeschiedenen, Druckbahnschicht auf, wobei diese mit einem horizontalen Versatz zueinander angeordnet sind.
In Abhängigkeit davon, in welcher Richtung die aneinander angrenzenden Druckbahnabschnitte in dem Verbindungsbereich zueinander verlaufen werden, wird auch der horizontale Versatz ausgebildet.
So kann dann, wenn die Druckbahnabschnitte des ersten Bauteilabschnitts und des zweiten Bauteilabschnitts mit wenigstens einem freien Ende aneinander angrenzen sollen, dadurch ein horizontaler Versatz bereitgestellt werden, dass die obere Druckbahnschicht kürzer ausgebildet ist, d.h. das freie Druckbahnende, das den Druckbahnabschnitt bildet, kann gegenüber dem freien Druckbahnende einer demgegenüber unteren Druckbahnschicht in Druckrichtung nach hinten, d.h. von dem angrenzenden Bauteilabschnitt weg, versetzt sein.
Alternativ oder zusätzlich können dann, wenn die Druckbahnabschnitte nicht endseitig ausgebildet sind, bzw. die angrenzenden Druckbahnabschnitte abschnittsweise parallel zueinander aneinander angrenzend verlaufen, die Druckbahnschichten des ersten Bauteilabschnitts mit den Druckbahnabschnitten mit horizontalem Versatz, d.h. im Überhang nach hinten bzw. - bezogen auf die Druckbahnerstreckung in diesem Bereich - seitlich versetzt, aufeinander geschichtet werden.
Werden die Druckbahnschichten in vertikaler Richtung unmittelbar aufeinander aufgebracht, bildet sich ein Bauteilabschnitt mit seitlichen Oberflächen (im Falle einer Wand beispielsweise die Wandflächen), die sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung, d.h. als Normale auf die Arbeitsfläche, erstrecken. Demgegenüber unterscheiden sich die seitlichen Oberflächen im Bereich der horizontal zueinander versetzten Druckbahnabschnitte und weisen eine Neigung bzw. Abweichung von der vertikalen Richtung, d.h. von der Normalen auf die Arbeitsfläche, auf.
Unabhängig von der spezifischen Ausgestaltung der Druckbahnabschnitte als endseitig oder in einem anderen Bereich der Druckbahnen, können wenigstens zwei Druckbahnschichten des ersten Bauteilabschnitts einen horizontalen Versatz der Druckbahnabschnitte relativ zueinander aufweisen. Wenn der erste Bauteilabschnitt mehr als zwei aufeinander geschichtete Druckbahnschichten aufweist, beispielsweise drei, vier, fünf, acht, zehn oder fünfzehn, um nur ein paar Beispiele zu nennen, können immer die jeweils unmittelbar aufeinander geschichteten Druckbahnabschnitte einen horizontalen Versatz zueinander aufweisen.
Alternativ können jedoch auch mehrere der unmittelbar aufeinander geschichteten Druckbahnabschnitte keinen horizontalen Versatz zueinander aufweisen, derart, dass in dem bereits gedruckten Abschnitt des ersten Bauteilabschnitts wenigstens ein horizontaler Versatz vorgesehen ist, der ein Ansetzen bzw. Ausbringen der Druckbahnschicht(en) des zweiten Bauteilabschnitts angrenzend an den ersten Bauteilabschnitt ermöglicht.
Demgemäß können der wenigstens eine obere, d.h. nachfolgend abgeschiedene Druckbahnabschnitt und der wenigstens eine untere, d.h. zuvor abgeschiedene, Druckbahnabschnitt der wenigstens zwei aufeinandergeschichteten Druckbahnschichten des ersten Bauteilabschnitts, die mit einem horizontalen Versatz zueinander aufeinander geschichtet sind, in einem Querschnitt des wenigstens einen Verbindungsbereichs betrachtet eine erste Verbindungskontur definieren, die von einer Normalen auf die Arbeitsfläche abweicht.
Der Verbindungsbereich kann sich, wie vorstehend bereits angedeutet, entlang der Breite einer Druckbahnschicht, d.h. quer zu der Druckbahnerstreckung, oder entlang der seitlich aneinander angrenzenden (parallel verlaufenden) Druckbahnabschnitte erstrecken, d.h. im Bereich der seitlich aneinander angrenzenden Druckbahnabschnitte entlang der Druckbahnerstreckung. Ein Querschnitt des Verbindungsbereichs ist definiert als eine Schnittebene, die senkrecht zum Verbindungsbereich verläuft.
Ein Querschnitt des Verbindungsbereichs dient bei der Planung des Verbindungsbereichs der vereinfachten Darstellung und Planung des horizontalen Versatzes. Bei komplexen Verläufen des Verbindungsbereichs, beispielsweise bei zwei benachbart zueinander verlaufenden Druckbahnabschnitten, die nicht geradlinig sondern gekrümmt verlaufen, kann die Planung des Verbindungsbereichs in einem Querschnitt erfolgen und dann entsprechend entlang dem gekrümmten Druckbahnverlauf (in Richtung der Druckbahnerstreckung) im Bereich der Druckbahnabschnitte umgesetzt werden.
Die Verbindungskontur kann insbesondere gestuft sein, wobei eine oder mehrere Stufen vorgesehen sein können. Im Falle mehrerer Stufen können diese in Folge des horizontalen Versatzes regelmäßig sein, beispielsweise kann in jeder Druckschicht durch einen entsprechend versetzten Druckbahnabschnitt eine Stufe gebildet sein, oder es können zwei oder drei oder n Druckschichten gemeinsam eine Stufe ausbilden. Selbstverständlich können die Stufen auch unregelmäßig ausgebildet sein, d.h. unterschiedliche Höhen (und dementsprechend unterschiedlich viele Schichten) aufweisen.
Weiterhin können im Fall mehrerer Stufen diese immer die gleiche Tiefe und damit den gleichen horizontalen Versatz aufweisen. Der horizontale Versatz kann jedoch grundsätzlich auch variabel gestaltet sein, beispielsweise in höheren Druckschichten größer ausgebildet werden.
Infolge der unterschiedlichen denkbaren Querschnittsformen der ausgebrachten Druckschichten, kann die Verbindungskontur unterschiedlich ausgeprägte Übergänge der einzelnen Stufen aufweisen.
Im Falle eines nahezu runden Querschnitts der ausgebrachten Druckbahnschicht können die Stufen im Querschnitt betrachtet eher kreissegmentförmig ausgebildet sein, während bei eine nahezu rechteckigen Querschnitt die Stufen, eine deutlichere vordere Stufenkante erkennbar sein kann.
Eine durch die aufeinander geschichteten Druckbahnabschnitte des ersten Bauteilabschnitts gebildete tatsächliche Verbindungsoberfläche (die Oberfläche des Verbindungsbereichs) kann entsprechend kantiger oder gerundeter sein.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Planung des wenigstens einen Verbindungsbereichs die Planung einer virtuelle Kollisionsgerade umfasst, die in einem Querschnitt des wenigstens einen Verbindungsbereichs betrachtet mit einer Normalen auf die Arbeitsfläche einen ersten Neigungswinkel einschließt, der größer als 0 Winkelgrad und kleiner als 90 Winkelgrad ist.
Bei der Planung des wenigstens einen Verbindungsbereichs und der virtuelle Kollisionsgerade können weitere geplante Parameter des additiven Fertigungsprozesses berücksichtigt werden, nämlich insbesondere die Anzahl der geplanten Druckschichten des ersten Bauteilabschnitts, die beim Drucken der wenigstens einen Druckbahnschicht des zweiten Bauteilabschnitts bereits gedruckt sein werden, die geplante Höhe des ersten Bauteilabschnitts beim Druck des zweiten Bauteilabschnitts, die geplante Druckschichthöhe einer einzelnen Druckbahnschicht, der geplante Querschnitt der Druckbahnschichten und dergleichen.
Die geplante virtuellen Kollisionsgeraden kann - im Querschnitt betrachtet - zusammen mit der Normalen auf die Arbeitsfläche und einer (virtuellen) auf einer oberen Fläche der obersten Druckbahnschicht des ersten Bauteilabschnitts aufliegenden horizontalen Ebene einen freier Bereich (nachfolgend als Kollisionsbereich bezeichnet) definieren. Dieser freie Bereich gibt bei der Planung den späteren Kollisionsraum an, in den die Materialausgabeeinheit während des additiven Fertigungsprozesses eindringen kann, um den zweiten Bauteilabschnitt zu drucken, ohne dass sie beim Drucken der wenigstens einen Druckbahnschicht des zweiten Bauteilabschnitts mit dem ersten bereits gedruckten Bauteilabschnitt kollidiert.
Der im Rahmen der Planung definierte Kollisionsbereich umfasst im Querschnitt betrachtet eine dreiecksförmige Fläche. In einer räumlichen Darstellung würde der Kollisionsraum analog nicht durch die Kollisionsgerade, sondern eine Kollisionsfläche begrenzt, welche sich entlang des Verbindungsbereichs erstreckt und im Querschnitt betrachtet die Kollisionsgeraden umfasst.
Die horizontale Ebene, welche als virtuelle Ebene im Querschnitt betrachtet auf der Oberkante der geplanten obersten Druckbahnschicht aufliegt, definiert dabei auch die geplante maximale Höhe des ersten Bauteilabschnitts, weshalb diese nachfolgend als horizontale Kollisionsebene des ersten Bauteilabschnitts bezeichnet wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass kein Abschnitt des ersten gedruckten Bauteilabschnitts in den sogenannten Kollisionsbereich vorragt, d.h. dass der Kollisionsbereich beim Drucken der wenigstens zwei Druckbahnschichten des ersten Bauteilabschnitts frei bleibt.
Die virtuelle Kollisionsgerade schneidet die Normale auf die Arbeitsfläche und definiert damit einen Scheitelpunkt für den ersten Neigungswinkel. Um die Druckbahnabschnitte der benachbarten Bauteilabschnitte möglichst spaltfrei oder mit einem minimalen Spalt (von beispielsweise maximal 50mm, vorteilhaft maximal 30mm, bevorzugt von maximal 20mm) aneinander angrenzend ausbringen zu können, wird der Scheitelpunkt des ersten Neigungswinkels, in dem sich die Kollisionsgerade und die Normale auf die Arbeitsfläche schneiden, bei der Planung auf eine Kollisionskante der untersten bzw. ersten gedruckten Druckbahnschicht des ersten Bauteilabschnitts gesetzt.
Wie vorstehend bereits ausgeführt, können bei der Planung der Kollisionsgeraden weitere geplante Parameter des additiven Fertigungsprozesses berücksichtigt werden, wie nachfolgend auch am Beispiel der geplanten untersten (d.h. im späteren Fertigungsprozess der ersten gedruckten) Druckbahnschicht und deren Kollisionskante als Bezugspunkt für die Kollisionsgerade ausgeführt wird.
Weiterhin kann eine Druckbahnschicht einen rechteckigen bzw. nahezu rechteckigen Querschnitt haben. In diesem Fall bezeichnet die Kollisionskante einer Druckbahnschicht eine tatsächlich vorhandene Kante der Druckbahnschicht, nämlich im Querschnitt des Verbindungsbereichs betrachtet die dem zu druckenden Bauteilabschnitt (freiliegende) zugewandte Kante der Oberseite der untersten bzw. ersten zu druckenden Druckbahnschicht des ersten Bauteilabschnitts.
Alternativ, in all den Fällen, in denen eine Druckbahnschicht gegebenenfalls auch schon in den Planungsdaten keinen rechteckigen, sondern einen (leicht) gerundeten Querschnitt aufweist, bezeichnet die Kollisionskante einer Druckbahnschicht eine virtuelle Kante, die definiert ist durch eine Schnittgerade einer horizontalen Ebene, die horizontal auf der Oberseite der Druckbahnschicht aufliegt (horizontale Kollisionsebene der Druckbahnschicht), und einer vertikalen Ebene, die vertikal an der dem zu druckenden weiteren Bauteilabschnitt zugewandten Seite der unteren Druckbahnschicht anliegt (vertikale Kollisionsebene der Druckbahnschicht).
In den Fällen, in denen zwei oder mehr aufeinander geschichtete Druckbahnschichten im Wesentlichen ohne horizontalen Versatz zueinander aufeinander ausgebracht werden sollen oder sind, sind die jeweiligen Kanten der Druckbahnschichten nicht freiliegend, sondern schließen im Wesentlichen bündig mit den Kanten der nachfolgenden oder zuvor gedruckten Druckbahnschichten ab. Somit weist nur diejenige der Druckbahnschichten eine Kollisionskante im Sinne der vorliegenden Definition auf, die eine durch den horizontalen Versatz freiliegende Kante an der Verbindungskontur bereitstellt.
Die vertikale Kollisionsebene kann ferner an einem freien Ende einer Druckbahnschicht anliegen, wenn die Druckbahnabschnitte mit ihren freien Enden aneinander angrenzend ausgebracht werden sollen. Alternativ kann die vertikale Kollisionsebene auch seitlich an einer Seitenfläche einer Druckbahnschicht anliegen, wenn die die Druckbahnabschnitte parallel verlaufend aneinander angrenzend ausgebracht werden sollen.
Soll in einer Verbindungskontur nur ein horizontaler Versatz und damit nur eine Stufe vorgesehen sein, schneidet die Kollisionsgerade die Verbindungskontur in der Kollisionskante der ersten gedruckten Druckbahnschicht und in der weiteren Kollisionskante einer der nachfolgenden oberen Druckbahnschichten.
Insbesondere dann, wenn mehr als ein horizontaler Versatz und damit mehr als eine Stufe in der Verbindungskontur vorgesehen sind, können die Stufen der Verbindungskontur regelmäßig in Höhe und Tiefe ausgebildet sein oder unregelmäßig. So kann für eine regelmäßige Stufung der horizontale Versatz stets gleich groß sein und die Anzahl der Druckbahnschichten zwischen den horizontal versetzten Druckbahnabschnitten immer gleich sein. Beispielsweise kann in jeder Druckbahnschicht ein horizontal versetzter Druckbahnabschnitt auf den Druckbahnabschnitt der unteren Druckbahnschicht aufgebracht werden, oder in jeder zweiten, dritten oder n. Druckbahnschicht.
Bei dieser Ausgestaltungsvariante mit regelmäßiger Stufung liegt die Kollisionsgerade an allen Stufen der Verbindungskontur an.
In einer alternativen Ausgestaltung mit einer unregelmäßigen Stufung, beispielsweise, wenn die Druckbahnschichten mit unterschiedlich großem horizontalen Versatz und/oder mit unterschiedlich vielen Druckbahnschichten zwischen den horizontal versetzten Druckbahnabschnitten ausgebracht werden sollen, liegt die Kollisionsgerade an der Kollisionskante der untersten bzw. ersten Druckbahnschicht sowie zumindest an einer weiteren Kollisionskante einer oder mehrerer nachfolgender Druckbahnschichten an.
Zur Ermittlung der Anlagepunkte der Kollisionskante kann daher unabhängig von der spezifischen Ausgestaltung der Verbindungskontur vorgesehen sein, dass die Kollisionsgerade die Normale auf die Arbeitsfläche auf der Kollisionskante der untersten bzw. ersten Druckbahnschicht schneidet und der Schnittpunkt quasi einen Drehpunkt für die Kollisionsgerade bildet.
Die Kollisionsgerade ist um diesen Drehpunkt drehbar und liegt an einer weiteren Kollisionskante der Verbindungskontur an, nämlich an der Kollisionskante, die am weitesten in Richtung zu dem Kollisionsraum hin vorragt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass keine weitere Stufe und somit kein Teil oder Abschnitt der Druckbahnschichten des ersten Bauteilabschnitts in den Kollisionsraum hineinragt.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann der erste Neigungswinkel der Kollisionsgeraden größer als 5 Winkelgrad und kleiner als 80 Winkelgrad sein.
Ohne einen horizontalen Versatz, d.h. in der heutigen Praxis, liegen die Druckbahnabschnitte der einzelnen Druckbahnschichten direkt aufeinander. Eine in diesem Fall an die Verbindungskontur angelegte virtuelle Gerade hat hier einen Neigungswinkel von 0 Winkelgrad, d.h. die Druckbahnenden schließen bündig ab bzw. im Falle von nicht endseitigen Druckbahnabschnitten die seitliche Oberfläche des ersten gedruckten Bauteilabschnitts sind auch im Verbindungsbereich senkrecht zur Arbeitsfläche.
Bei der vorliegenden Erfindung wird in Form des Kollisionsraums indes Raum für die Materialausgabeeinheit geschaffen, indem ein horizontaler Versatz der Druckbahnabschnitte vorgesehen ist. Dieser kann sich in einer schrägen seitlichen Oberfläche (Seitenfläche der gedruckten Druckbahnschichten des ersten Bauteilabschnitts) und/oder einer schräg gestuften Endkante der gedruckten Druckbahnschichten des ersten Bauteilabschnitts im Bereich der Druckbahnabschnitte ausprägen.
Der zweite zu druckende Bauteilabschnitt kann im Bereich des Verbindungsbereichs das Negativ zu dem ersten gedruckten Bauteilabschnitt bilden.
So kann der zweite gedruckte Bauteilabschnitt in dem wenigstens einen Verbindungsbereich wenigstens zwei aufeinandergeschichtete Druckbahnschichten aufweisen, wobei wenigstens ein oberer Druckbahnabschnitt und wenigstens ein unterer Druckbahnabschnitt der wenigstens zwei aufeinandergeschichteten Druckbahnschichten des zweiten Bauteilabschnitts mit einem horizontalen Versatz derart aufeinander geschichtet sind, dass diese in einem Querschnitt des wenigstens einen Verbindungsbereichs betrachtet eine zweite, zu der ersten Verbindungskontur im Wesentlichen gegenläufige Verbindungskontur, aufweisen.
Entsprechend kann bei der Planung des Verbindungsbereichs eine virtuelle Anschlussgerade, die in einem Querschnitt des wenigstens einen Verbindungsbereichs betrachtet an die zweite Verbindungskontur angelegt wird, mit einer Normalen auf die Arbeitsfläche einen zweiten Neigungswinkel einschließt, der dem ersten Neigungswinkel der ersten Verbindungskontur entspricht. Selbstverständlich ist für den Zweck der Vermeidung einer Kollision der Materialausgabeeinheit mit den gedruckten Druckbahnschichten des ersten Bauteilabschnitts auch denkbar, dass der zweite Neigungswinkel kleiner ist als der erste Neigungswinkel. Hieraus kann sich dann beim Fertigungsprozess gegebenenfalls ein schichtweise zunehmender Spalt zwischen dem ersten Bauteilabschnitt und dem zweiten Bauteilabschnitt ausbilden.
Grundsätzlich ist es bei einer einfachen Ausführungsform der Erfindung denkbar, bei der Planung des Verbindungsbereichs einen ersten Neigungswinkel zu wählen, der einen festen Standardwert aus dem genannten maximalen Wertebereich von 0 bis 90 Winkelgrad, insbesondere von 5 bis 80 Winkelgrad aufweist. Ein solcher fester Standardwert kann sich beispielsweise aus einer Analyse der üblicherweise verwendeten Materialausgabeeinheiten und deren Kollisionsverhalten ergeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch ferner einen weiteren Schritt umfassen, der insbesondere in Zusammenhang mit Anlagen von Vorteil ist, bei denen die Materialausgabeeinheit ausgewechselt oder angepasst werden kann.
So kann das Verfahren weiter eine Analyse der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit umfassen, deren Ergebnisse der Planung des Verbindungsbereichs zugrunde gelegt werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass bei einer solchen Analyse anhand eines proximalen Endes der Materialausgabe zunächst eine Drucknormale auf die Arbeitsfläche bestimmt wird, die durch eine Ausgabeöffnung am proximalen Ende der Materialausgabeeinheit verläuft.
Weiterhin kann eine virtuelle Druckgerade der Materialausgabeeinheit bestimmt werden.
Das proximale Ende der Materialausgabeeinheit bezeichnet das freie Ende der Materialausgabe, das beim Druckprozess der Arbeitsfläche zugewandt ist. Dementsprechend ist an dem proximalen Ende der Materialausgabeeinheit die Ausgabeöffnung zur Abgabe des Baustoffs vorgesehen.
Die sogenannte Drucknormale ist eine senkrechte Gerade auf die Arbeitsfläche, die sich durch die Ausgabeöffnung erstreckt. Ist die Materialausgabeeinheit nicht gekippt, fällt diese mit der Längsachse der Materialausgabeeinheit zusammen.
Neben der Drucknormalen wird vorliegend auch die für die Materialausgabeeinheit spezifische virtuelle Druckgerade der Materialausgabeeinheit bestimmt. Diese hängt maßgeblich von der spezifischen Außengeometrie der verwendeten Materialausgabeeinheit ab. Eingang wurde schon erläutert, welche Komponenten beispielhaft die Form und Außengeometrie der Materialausgabeeinheit mitbeeinflussen können. Diese werden erfindungsgemäß nicht angepasst, sondern können durch die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Bestimmung des horizontalen Versatzes mitberücksichtigt werden.
Die virtuelle Druckgerade der Materialausgabeeinheit wird ausgehend von einem virtuellen Drehpunkt auf einer radialen Außenkante des proximalen Endes der Materialausgabeeinheit an die Außengeometrie der Materialausgabeeinheit angelegt.
Basierend auf die virtuellen Druckgeraden und der Drucknormalen kann ein virtueller Druckwinkel ermittelt werden, der von der Drucknormalen auf die Arbeitsfläche und der virtuellen Druckgeraden eingeschlossen ist.
Um die virtuelle Druckgerade an die Außengeometrie der Materialausgabeeinheit anzulegen, wird eine virtuelle Gerade durch einen zugeordneten virtuellen Drehpunkt ausgehend von einer horizontalen Ausgangsposition um den virtuellen Drehpunkt in Richtung zu der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit gedreht wird, bis die virtuelle Gerade an einem radialen Außenpunkt der Materialausgabeeinheit zur Anlage kommt. In dieser Lage bildet sie für den zugeordneten Drehpunkt die virtuelle Druckgerade aus.
Dabei kann in einer besonders einfachen Ausführungsform die spätere Orientierung der Materialausgabeeinheit beim tatsächlichen Drucken des zweiten (weiteren) Bauteilabschnitts bezogen auf die bereits gedruckten Druckbahnschichten und damit der tatsächlich horizontale Raumbedarf der spezifischen Materialausgabeeinheit unberücksichtigt gelassen werden. Stattdessen kann nur der maximale Raumbedarf der spezifischen Materialausgabeeinheit betrachtet werden.
Weiterhin ist es auch denkbar, den tatsächlichen vertikalen Raumbedarf der Materialausgabeeinheit unberücksichtigt zu lassen, d.h. auch solche Komponenten miteinzubeziehen, die beim Drucken über der maximalen Höhe des bereits gedruckten Bauteilabschnitts angeordnet sind.
In der Regel wird jedoch bereits bei der Berechnung der Druckbahnen in Vorbereitung der additiven Fertigung auch die Orientierung der Materialausgabeeinheit berechnet, wobei diese nicht immer gleich bleiben muss. Insbesondere kann bei dieser Berechnung der Druckbahnen in Vorbereitung der additiven Fertigung berücksichtigt werden, dass nach Möglichkeit die radial ausladenden Komponenten der Materialausgabeeinheit während des Druckens in der Nähe bereits bestehender Bauteilstrukturen nicht in Richtung dieser bestehenden Bauteilstrukturen weisen sollten.
Dementsprechend kann bei einer alternativen Ausgestaltung der Weiterbildung des Verfahrens bei der Bestimmung des radialen Außenpunkts für die virtuelle Druckgerade die tatsächliche Orientierung der Materialausgabeeinheit berücksichtigt werden. Demnach kann der virtuelle Drehpunkt einen Punkt auf einer radialen Außenkante des proximalen Endes der Materialausgabeeinheit umfasst, der beim Drucken der wenigstens einen Druckbahnschicht des zweiten Bauteilabschnitts dem Verbindungsbereich am nächsten ist.
Bei einer alternativen oder zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung kann die Analyse der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit auf einen (vertikalen) Geometriebereich der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit begrenzt werden, der beim Drucken der wenigstens einen Druckbahnschicht des zweiten Bauteilabschnitts in den Kollisionsraum des ersten Bauteilabschnitts einzudringen vermag.
Dementsprechend kann sowohl der vertikale Abstand des proximalen Endes der Materialausgabeeinheit zu der Arbeitsfläche für die zu druckenden Druckbahnschichten des weiteren Bauteilabschnitts berücksichtigt werden als auch die horizontale Kollisionsebene des ersten oder zuvor zu druckenden Bauteilabschnitts, d.h. die maximale Höhe des ersten Bauteilabschnitts. Nur diejenigen Teile der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit werden entsprechend bei der Analyse berücksichtigt, die sich beim Drucken der der wenigstens einen Druckbahnschicht des zweiten (oder weiteren) Bauteilabschnitts unterhalb der horizontale Kollisionsebene des ersten oder zuvor zu druckenden Bauteilabschnitts befinden.
Die Materialausgabeeinheit kann vorliegend ein Gehäuse aufweisen, das die Außengeometrie definiert.
Das Gehäuse kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein, wobei insbesondere unterschiedliche Teile unterschiedlichen Funktionselementen zugeordnet sein können. So kann beispielsweise ein Gehäuseteil der Materialausgabeeinheit (Düse) die Geometrie zur Aufnahme und Ausbringung des Baustoffs tragen (Düse). Dieses Gehäuseteil kann lösbar, austauschbar und relativ zu dem übrigen Gehäuse bewegbar, insbesondere verdrehbar ausgestaltet sein. Ein Gehäuseteil kann zur Aufnahme des Baustoffs ausgebildet sein (Hopper). Ein weiterer Gehäuseteil (E-Box), kann zur Aufnahme beispielsweise elektronischer, elektromechanischer, sensorischer und/oder motorischer Elemente ausgebildet sein.
Im Bereich des proximalen Endes ist das Gehäuse in der Regel mit einer Stirnfläche ausgebildet, an der die Ausgabeöffnung ausgebildet ist. Die horizontale Endfläche definiert somit das proximale Ende und umfasst eine umlaufende radiale Außenkante.
Unabhängig davon ob und wie ein derartige Gehäuse ausgebildet sein kann, kann in einer Ausführungsform der Erfindung die Analyse der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit die Berechnung einer virtuellen Außenhülle, insbesondere in Form eines Kegels oder Kegelstumpfs, einer Pyramide oder Pyramidenstumpfs umfassen, die die Materialausgabeeinheit einschließt, wobei das proximale Ende der Materialausgabeeinheit die Spitze bzw. Deckfläche der virtuellen Außenhülle umfasst.
Eine solche geometrisch vereinfachte Außenhülle ermöglicht mit einem geringeren Rechenaufwand - analog zu der Bestimmung einer virtuellen Druckgeraden - den spezifischen Raumbedarf der Materialausgabeeinheit in Abhängigkeit von ihrer Orientierung bezüglich des bzw. der bereits gedruckten Bauteilabschnitte und des bzw. der Verbindungsbereiche zu ermitteln. Basierend auf dieser Analyse können dann die Druckbahnabschnitte und der jeweilige horizontale Versatz vorgesehen und der wenigstens eine Verbindungsbereich geplant werden.
Die Außenhülle kann beispielsweise basierend auf dem größten ermittelten (oder manuell eingegebenen) Druckwinkel berechnet sein.
Auch kann die Analyse der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit die Bestimmung einer Vielzahl von virtuellen Druckgeraden umfassen. Dabei können einzelne Punkte der radialen Außenkante des proximalen Endes jeweils virtuellen Drehpunkt für die Bestimmung einer zugeordneten virtuellen Druckgeraden umfassen, derart dass die virtuelle Außenform eine Vielzahl von virtuellen Druckgeraden aufweist.
So können beispielsweise mehrere Druckgeraden in mehreren Orientierungen, beispielsweise wenn die Materialausgabeeinheit jeweils um 90 Grad um die Drucknormale gedreht wird, vier virtuellen Druckgeraden, anhand zugeordneter virtueller Drehpunkte, ermittelt werden. Die gewählten Orientierungen können dabei den häufigsten Orientierungen der Materialausgabeeinheit in Richtung zu dem Verbindungsbereich entsprechen. Selbstverständlich sind auch mehr oder weniger als die vier beispielhaft genannten Orientierungen denkbar.
Bei ungleichmäßigen Formen, beispielsweise einer Pyramide oder einem Pyramidenstumpf, mit einer polygonalen Grundfläche können die Seitenflächen, welche die Mantelfläche ausbilden, unterschiedlich geneigt sein.
Gleiches gilt beispielsweise bei einer virtuellen Außenhülle, die einen schiefen Kegel oder schiefen Kegelstumpf umfasst.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann die Analyse der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit die Bestimmung einer Vielzahl von virtuellen Druckgeraden umfassen, wobei jeder Punkt der radialen Außenkante des proximalen Endes einen virtuellen Drehpunkt für die Bestimmung zugeordneter virtueller Druckgeraden umfassen kann, derart dass die virtuelle Außenform eine Vielzahl von virtuellen Druckgeraden aufweist.
Bei dieser Lösung wird eine Rotation um die Drucknormale um 360 Winkelgrad, d.h. eine vollständige Drehung vollzogen, und zu jedem Punkt der radialen Außenkante als virtuellem Drehpunkt eine zugeordnete virtuelle Druckgerade erstellt. Auf diese Weise kann eine spezifische Außenhülle über den gesamten Umfang der Materialausgabeeinheit erstellt werden.
Werden zudem noch der vertikale Abstand des proximalen Endes der Materialausgabeeinheit zu der Arbeitsfläche für die zu druckenden Druckbahnschichten des weiteren Bauteilabschnitts und die horizontale Kollisionsebene des ersten Bauteilabschnitts, berücksichtigt, erlaubt dies eine optimale Planung des Verbindungsbereichs.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann die Analyse der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit basierend auf Sensordaten oder -signalen und/oder basierend auf der Materialausgabeeinheit zugeordneten Daten oder Signalen und/oder basierend auf durch einen Anwender manuell eingegebenen Daten oder Signalen durchgeführt werden.
So können beispielsweise ohnehin für die additive Fertigung genutzte und bereits vorhandene Sensoreinheiten Sensordaten liefern, die für die spezifische Materialausgabeeinheit charakteristisch sind und/oder die zur Ermittlung der virtuellen Druckgeraden genutzt werden können.
In ersterem Fall kann eine Zuordnung der spezifischen Materialausgabeeinheit erfolgen, wobei im Rahmen der Analyse auf eine Datenbank mit beispielsweise hinterlegten Daten zu spezifischen Materialausgabeeinheiten zurückgegriffen werden kann. Beispielsweise können für unterschiedliche Materialausgabeeinheiten unterschiedliche virtuelle Außenhüllen und/oder virtuelle Druckgeraden hinterlegt sein.
Eine entsprechende Zuordnung der spezifischen Materialausgabeeinheit kann alternativ oder zusätzlich auch über Daten oder Signale, die von der Materialausgabeeinheit gesendet werden, erfolgen. So kann beispielsweise in von der der Materialausgabeeinheit gesendeten Daten an eine Steuereinheit auch eine Information gesendet werden, die eine entsprechende Zuordnung der spezifischen Materialausgabeeinheit ermöglicht. Basierend hierauf kann die Steuereinheit auf eine interne oder externe Datenbank zugreifen, die zu der spezifischen Materialausgabeeinheiten hinterlegte Daten umfasst.
In gleicher Weise kann eine entsprechende Zuordnung der spezifischen Materialausgabeeinheit alternativ oder zusätzlich auch auf von einem Anwender manuell eingegebenen Daten oder Signalen erfolgen. Dabei kann der Anwender beispielsweise den spezifischen Typ der Materialausgabeeinheit eingeben und beispielsweise die Steuereinheit greift unter Berücksichtigung dieses Typs auf typspezifische Daten zu spezifischen Materialausgabeeinheiten in einer externen oder internen Datenbank zu. Bei einer besonders einfachen Lösung kann der Anwender im Rahmen der Analyse auch manuell eine virtuelle Druckgerade oder den virtuellen Druckwinkel eingeben.
Wie bereits angedeutet, können Sensordaten aber auch zur Ermittlung der virtuellen Druckgeraden genutzt werden. So können beispielsweise Positionssensoren und/oder optische Aufnahmeeinrichtungen und/oder Linienlaser oder andere optische Sensoren, die zur Echtzeit-Kontrolle des Fertigungsprozesses dienen, auch Informationen über die relevanten Außenabmessungen der Materialausgabeeinheit bereitstellen, welche zur Berechnung der virtuellen Druckgeraden, der Drucknormalen und/oder des virtuellen Druckwinkels dienen können.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bei dem Schritt Drucken des ersten Bauteilabschnitts der horizontale Versatz und damit der erste Neigungswinkel der virtuellen Kollisionsgeraden wenigstens so groß gewählt werden, dass dann, wenn sich ein proximales Ende der Materialausgabeeinheit an dem Scheitelpunkt des Neigungswinkels befindet, der dem ersten Bauteilabschnitt zugewandte virtuelle Druckwinkel kleiner als oder gleich dem ersten Neigungswinkel ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 19, die ausgebildet ist, um das vorstehend beschriebene Verfahren durchzuführen.
Die vorstehenden Ausführungen betreffend das erfindungsgemäß Verfahren finden dabei ebenfalls Anwendung.
Weiterhin kann neben der vorstehend bereits diskutierten Materialausgabeeinheit, Aktuatorbaugruppe zum Bewegen der Materialausgabeeinheit und Steuereinheit zur Steuerung der Aktuatorbaugruppe auch eine Planungseinheit zur Planung wenigstens eines Verbindungsbereichs der wenigstens zwei aneinander angrenzenden Bauteilabschnitte vorgesehen. Wie bereits vorstehend in Zusammenhang mit dem Verfahren ausgeführt, kann die Planung dabei manuell, halbautomatisiert oder automatisiert, mittels oder unter Zuhilfenahme der Steuereinheit und/oder weiterer Komponenten erfolgen.
Die Planungseinheit kann als ein integraler Bestandteil der Steuereinheit oder als hiervon separate Einheit ausgebildet sein, die in kommunikativer Verbindung mit der Steuereinheit steht.
Dabei kann die Planungseinheit gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dazu eingerichtet sein, basierend auf Daten oder Signalen, die von wenigstens einem Sensor und/oder von der Materialausgabeeinheit und/oder einer Datenbank und/oder durch manuelle Eingabe von einem Anwender bereitgestellt werden, eine Außengeometrie der Materialausgabeeinheit zu analysieren.
Folglich kann die Planungseinheit auch mit einer Sensoreinheit der Vorrichtung und/oder mit einer Eingabeeinheit zur manuellen Eingabe in kommunikativer Verbindung stehen. Weiterhin kann eine optional vorhandene Datenbank zur Bereitstellung von spezifischen Informationen zu der Materialausgabeeinheit als integraler Bestandteil der Planungseinheit, der Steuereinheit oder als separate Einheit in kommunikativer Verbindung mit der Planungseinheit und/oder der Steuereinheit stehen.
Die kommunikative Verbindung kann leitungsgebunden, kabelgebunden oder kabellos über die gängigen kabellosen Verbindungswege erfolgen, beispielsweise über Funk, WLAN oder Bluetooth.
Die Sensoreinheit kann beispielsweise wenigstens einen der nachfolgenden Sensoren umfassen: mechanischer Sensor, optischer Sensor, optische Aufnahmeeinrichtung, kapazitiver Sensor, induktiver Sensor.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur additiven Fertigung eines Bauteils, das mehrere Bauteilabschnitte aufweist, insbesondere eines Bauwerks oder Teilen von Bauwerken, und ein additiv gefertigtes dreidimensionales Bauteil, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren oder mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt ist, wobei das Bauteil wenigstens zwei benachbarte Bauteilabschnitte aufweist, die in einer horizontalen Ebene aneinander angrenzend additiv gefertigt sind.
Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Computerprogramm, umfassend Steuerbefehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Steuereinheit diese veranlassen, ein Verfahren gemäß den vorstehenden und nachfolgenden Ausführungen auszuführen.
Die Steuereinheit kann als Mikroprozessor ausgebildet sein. Anstelle eines Mikroprozessors kann auch eine beliebige weitere Einrichtung zur Implementierung der Steuereinheit vorgesehen sein, beispielsweise eine oder mehrere Anordnungen diskreter elektrischer Bauteile auf einer Leiterplatte, eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder eine sonstige programmierbare Schaltung, beispielsweise auch ein Field Programmable Gate Array (FPGA), eine programmierbare logische Anordnung (PLA) und/oder ein handelsüblicher Computer.
Die Ausführungen betreffen die Steuereinheit finden ebenfalls Anwendung auf die Planungseinheit, sei es als integraler Bestandteil der Steuereinheit oder als hiervon separate Einheit, die in kommunikativer Verbindung mit der Steuereinheit steht.
Merkmale, die im Zusammenhang mit einem der Gegenstände der Erfindung, namentlich gegeben durch das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Vorrichtung, die erfindungsgemäße Verwendung, das erfindungsgemäße Bauteil oder das erfindungsgemäße Computerprogramm beschrieben wurden, sind auch für die anderen Gegenstände der Erfindung vorteilhaft umsetzbar. Ebenso können Vorteile, die im Zusammenhang mit einem der Gegenstände der Erfindung genannt wurden, auch auf die anderen Gegenstände der Erfindung bezogen verstanden werden.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass Begriffe wie „umfassend“, „aufweisend“ oder „mit“ keine anderen Merkmale oder Schritte ausschließen. Ferner schließen Begriffe wie „ein“ oder „das“, die auf eine Einzahl von Schritten oder Merkmalen hinweisen, keine Mehrzahl von Merkmalen oder Schritten aus - und umgekehrt.
In einer puristischen Ausführungsform der Erfindung kann allerdings auch vorgesehen sein, dass die in der Erfindung mit den Begriffen „umfassend“, „aufweisend“ oder „mit“ eingeführten Merkmale abschließend aufgezählt sind. Dementsprechend kann eine oder können mehrere Aufzählungen von Merkmalen im Rahmen der Erfindung als abgeschlossen betrachtet werden, beispielsweise jeweils für jeden Anspruch betrachtet. Die Erfindung kann beispielsweise ausschließlich aus den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bestehen.
Es sei erwähnt, dass Bezeichnungen wie „erstes“ oder „zweites“ etc. vornehmlich aus Gründen der Unterscheidbarkeit von jeweiligen Vorrichtungs- oder Verfahrensmerkmalen verwendet werden und nicht unbedingt andeuten sollen, dass sich Merkmale gegenseitig bedingen oder miteinander in Beziehung stehen.
Ferner sei betont, dass die vorliegend beschriebenen Werte und Parameter Abweichungen oder Schwankungen von ±10% oder weniger, vorzugsweise ±5% oder weniger, weiter bevorzugt ±1% oder weniger, und ganz besonders bevorzugt ±0,1% oder weniger des jeweils benannten Wertes bzw. Parameters mit einschließen, sofern diese Abweichungen bei der Umsetzung der Erfindung in der Praxis nicht ausgeschlossen sind. Die Angabe von Bereichen durch Anfangs- und Endwerte umfasst auch all diejenigen Werte und Bruchteile, die von dem jeweils benannten Bereich eingeschlossen sind, insbesondere die Anfangs- und Endwerte und einen jeweiligen Mittelwert.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Die Figuren zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele, in denen einzelne Merkmale der vorliegenden Erfindung in Kombination miteinander dargestellt sind. Merkmale eines Ausführungsbeispiels sind auch losgelöst von den anderen Merkmalen des gleichen Ausführungsbeispiels umsetzbar und können dementsprechend von einem Fachmann ohne Weiteres zu weiteren sinnvollen Kombinationen und Unterkombinationen mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele verbunden werden.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Es zeigen schematisch:

1 einen vereinfachten Aufbau eines 3D-Druckers in Portalbauweise;
2a, 2b eine vereinfachte Darstellung eines mehrteiligen Bauteils, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gedruckt wird in einer Draufsicht und einer Seitenansicht;
3 die erfindungsgemäße Vorrichtung der 2b in einer detaillierteren Darstellung;
4 eine vereinfachte Darstellung eines alternativen mehrteiligen Bauteils, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gedruckt werden soll in einer Draufsicht;
5 eine Seitenansicht des mehrteiligen Bauteils der 4; und
6 eine erläuternde Ansicht zu der Analyse der Materialausgabeeinheit entsprechend der Darstellung der 3.

1 zeigt eine stark vereinfachte Anordnung 1 zur additiven Fertigung eines Bauteils 2. Die 2a und 2b zeigen und erläutern die Festlegung eines horizontalen Versatzes bei der Planung der Verbindungsbereiche eines mehrteiligen Bauteils, die 3 und 6 zeigen und erläutern die Analyse der Materialausgabeeinheit als mögliche Grundlage bei der Planung der Verbindungsbereiche. In den 2a, 2b, 3 und 6 grenzen die Bauteilabschnitte im Bereich ihrer Druckbahnenden aneinander an, d.h. die Verbindungsbereiche V erstrecken sich entlang der Breite der Druckbahnabschnitte, die aneinander angrenzen. Bei den weiteren ergänzenden 4 und 5 soll alternativ gezeigt werden, wie die Bauteilabschnitte auch mit parallel verlaufenden Druckbahnabschnitten aneinander angrenzen können und wie der Verbindungsbereich V dabei ausgestaltet sein kann. Noch nicht gedruckte Bauteilabschnitte bzw. nachfolgend zu druckende („zweite“) Bauteilabschnitte oder Druckbahnabschnitte davon können dabei strichliert oder in Graustufen dargestellt sein.
Die Anordnung 1 gemäß 1 weist eine Vorrichtung 3 zur additiven Fertigung des Bauteils 2 auf, mit einer nur schematisch angedeuteten Materialausgabeeinheit 4 zur Abscheidung eines Baustoffs und einer Aktuatorbaugruppe 5, die ausgebildet ist, die Materialausgabeeinheit 4 über eine Arbeitsfläche 6 zu bewegen, um den Baustoff schichtenweise in vorgegebenen Druckbahnen D abzuscheiden.
Die Erfindung ist nachfolgend insbesondere im Rahmen eines 3D-Betondrucks beschrieben, also zur additiven Fertigung eines Bauteils 2 eines Bauwerks oder eines vollständigen Bauwerks aus fließfähig angemischtem Beton. Dies ist allerdings grundsätzlich nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung eignet sich im Grunde zur Herstellung beliebiger additiver Bauteile aus einem beliebigen Baustoff, insbesondere auch für die Fertigung von Kunststoffbauteilen.
Um die Materialausgabeeinheit 4 zu bewegen, weist die Aktuatorbaugruppe 5 zumindest eine erste Horizontalführung 7 auf, bei der es sich in 1 und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen jeweils um zwei Horizontalträger 8 handelt, die parallel und voneinander beabstandet angeordnet sind. Zwischen diesen beiden Horizontalträgern 8 ist eine zweite Horizontalführung 9 vorgesehen, die somit entlang der ersten Horizontalführung 7 linear bewegbar ist. Die zweite Horizontalführung 9 ist als einzelner Querträger 10 ausgebildet, entlang dem die Materialausgabeeinheit 4 in der Art einer Laufkatze bewegbar ist, also quer zu der ersten Horizontalführung 7. Durch die beiden Horizontalführungen 7, 9 kann schließlich eine zweidimensionale Bewegung der Materialausgabeeinheit 4 über der Arbeitsfläche 6 ermöglicht werden (vgl. Pfeile „x“ und „y“).
Ergänzend weist die Aktuatorbaugruppe 5 gemäß 1 eine Vertikalführung 11 auf, entlang der die Materialausgabeeinheit 4 vertikal zu der Arbeitsfläche 6 bewegbar ist. Konkret kann vorgesehen sein, dass die Vertikalführung 11 zwei Gruppen von Vertikalstreben 12 aufweist, wobei die Vertikalstreben 12 jeder Gruppe voneinander beabstandet und in einer Flucht zueinander angeordnet sind, und wobei beide Gruppen voneinander beabstandet sind. Somit kann die erste Horizontalführung 7 bzw. können die Horizontalträger 8 der ersten Horizontalführung 7 entlang den Vertikalstreben 12 der jeweiligen Gruppe bewegt werden (vgl. Pfeil „z“).
Eine Traverse 14, die beispielsweise an zwei Vertikalstreben 12 der Vertikalführung montiert ist, trägt weiterhin eine Umlenkrolle 15, über die ein Förderschlauch 13 für Trockenmörtel ausgehend von einer Materialaufbereitungseinheit 16 (als Black Box angedeutet) bis zur Materialausgabeeinheit 4 geführt wird.
In 1 und den Ausführungsbeispielen ist somit ein 3D-Betondrucker in Portalbauweise mit jeweils linearer Achsenführung dargestellt. Dies ermöglicht eine Bewegung der Materialausgabeeinheit 4 entlang aller Translationsfreiheitsgrade x, y, z. Portaldrucker, insbesondere solche zur Fertigung von Bauteilen 2 aus Beton, sind grundsätzlich bereits bekannt, weshalb auf zusätzliche Details vorliegend nicht weiter eingegangen wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Druckqualität der aufeinander geschichteten Druckbahnschichten 20 durch eine optimale Länge der einzelnen Druckbahnen D₁, D₂, D₃ bis Dn (vgl. 2a und 2b).
Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass das Bauteil 2 aus mehreren Bauteilabschnitten 20, 30, 40 und Bn zusammengesetzt ist. Um die Bauteilabschnitte 20, 30, 40, Bn in ihren Verbindungsbereichen V aneinander angrenzend ausbringen zu können, werden erfindungsgemäß ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei denen der spezifische Raumbedarf der Materialausgabeeinheit 4 bei der Planung des Verbindungsbereichs V berücksichtigt wird.
Die 2a und 2b zeigen die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren geplanten und mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung geformten Verbindungsbereiche mehrerer Bauteilabschnitte in einer Draufsicht (2a) und einer Seitenansicht (2b).
Ein Bauteil 2 wird hierbei in mehrere Bauteilabschnitte 20, 30, 40, Bn zerlegt, die in der gezeigten Darstellung nacheinander (zunächst Bauteilabschnitt 20) und/oder in Teilabschnitten (Bauteilabschnitte 30 und 40) gedruckt werden können.
Die Bauteilabschnitte des fertigen Bauteils 2 grenzen in den Verbindungsbereichen V aneinander an. Hierzu weist jede der Druckbahnschichten 20₁, 20₂, 20_n des ersten Bauteilabschnitts einen Druckbahnabschnitt 22₁, 22₂, 22_n auf, der in der gezeigten Darstellung an einen korrespondierenden Druckbahnabschnitt 32₁, 32₂, 32_n der Druckbahnschichten 30₁, 30₂, 30_n angrenzt.
Die Druckbahnabschnitte in der Ausführungsform der 2a, 2b werden im Bereich der Druckbahnenden ausgebildet.
Stattdessen können diese jedoch auch in einem anderen Bereich der Druckbahn, beispielsweise wie in 4 und 5 vereinfacht dargestellt, in einem mittleren Bereich der Druckbahn D₁ bzw. D₂ ausgebildet sein (vgl. die Druckbahnabschnitte 22, 32 in 4). Dabei verlaufen die benachbarten Druckbahnabschnitte 22 des ersten Bauteil 20 und die Druckbahnabschnitte 32 des zweiten Bauteils 30 entlang des Verbindungsbereichs V parallel zueinander. Der horizontale Versatz (in 5) führt zu einem seitlichen Versatz der aufeinander geschichteten Druckbahnabschnitte, beispielsweise in der Darstellung der 5 nach rechts.
Man erkennt an den 3 und 5 wie auch an der 2b, dass die Verbindungsbereiche V nicht durch zwei vertikale verlaufende Druckbahnenden, wie im Stand der Technik bekannt, gebildet sind.
Stattdessen werden die Druckbahnabschnitte 22₁, 22₂, 22_n des ersten Bauteilabschnitts 20 mit einem horizontalen Versatz hV relativ zueinander aufgeschichtet. Dabei werden nachfolgende Druckbahnschichten gegenüber den jeweils darunterliegenden Druckbahnschichten um den horizontalen Versatz hV in Richtung von dem Verbindungsbereich V (und den zu druckenden angrenzenden Bauteilabschnitten 30 und 40) weg versetzt, so dass hierdurch Raum für die Materialausgabeeinheit 4 geschaffen wird (vgl. 2b und 6).
In gleicher Weise kann dies bei einer Ausgestaltung gemäß 4 und 5 erfolgen.
In den gezeigten Ausführungsformen ist von Schicht zu Schicht jeweils ein horizontaler Versatz hV der Druckbahnabschnitte relativ zueinander vorgesehen, so dass hieraus eine im Querschnitt betrachtet regelmäßige Abstufung der Verbindungskontur (vgl. 3) resultiert.
Alternativ sind jedoch auch unregelmäßige horizontale Versätze mit Abweichungen in der Höhe (z.B. durch unterschiedlich große Anzahlen von Schichten zwischen den Versatzstücken) und in der Tiefe (z.B. durch unterschiedlich große horizontale Versätze) denkbar. Auch können die Abstufungen zwar regelmäßig, jedoch nicht schichtweise, sondern beispielsweise nur alle zwei Druckbahnschichten, alle drei Durchbahnschichten oder dergleichen erfolgen. Diesbezüglich wird auch auf die 5 verwiesen.
Die Materialausgabeeinheit 4 umfasst in der gezeigten Darstellung mehrere Komponenten, die vorliegend nicht näher bezeichnet sind, wie Hopper, Düse, Ausgabeöffnung und E-Box. Entscheidend ist, dass an ihrem bezogen auf die Arbeitsfläche 6 proximalen Ende 4a die Ausbringung des Baustoffs erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer einfachen Ausführungsform den Verbindungsbereich V zwischen zwei Bauteilabschnitten 20, 30 planen.
Dabei können insbesondere auch die weiteren geplanten Parameter des additiven Fertigungsprozesses berücksichtigt werden, wie beispielsweise Anzahl der Druckbahnschichten des ersten zu druckenden Bauteilabschnitts, maximale Höhe des ersten zu druckenden Bauteilabschnitts, geplante Höhe der einzelnen Druckbahnschichten des ersten zu druckenden Bauteilabschnitts (vgl. hierzu auch die horizontale Kollisionsebene HK des ersten Bauteilabschnitts 20) und dergleichen.
So kann eine virtuelle Kollisionsgerade 50 an eine geplante Verbindungskontur angelegt werden, um diese im Rahmen der Planung entsprechend anzupassen.
In der gezeigten Darstellung der 2b und 5 schließt die Kollisionsgerade 50, die in einem Querschnitt des Verbindungsbereichs V betrachtet an die Verbindungskontur des ersten Bauteilabschnitts 20 angelegt ist, mit einer Normalen N auf die Arbeitsfläche einen ersten Neigungswinkel α1 ein. Dieser kann, wie gezeigt in einem Winkelbereich von insbesondere 5 bis 80 Winkelgrad liegen.
Insbesondere dann, wenn, wie vorliegend gezeigt, mehr als ein horizontaler Versatz und damit mehr als eine Stufe in der Verbindungskontur vorgesehen ist, ergibt sich, dass eine an die Verbindungskontur angelegte virtuelle Kurve eine Gerade umfasst, wenn die Stufen regelmäßig in Höhe und Tiefe ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass der horizontale Versatz gleich groß ist und die Anzahl der Druckbahnschichten zwischen den nach hinten versetzten Druckbahnabschnitten immer gleich ist, beispielsweise in jeder Druckbahnschicht ein horizontal versetzter Druckbahnabschnitt auf den Druckbahnabschnitt der unteren Druckbahnschicht aufgebracht wird, wie in der 3 gezeigt.
Jedoch kann auch dann, wenn die Abstufung nicht regelmäßig sein soll, d.h. wenn die Stufenhöhe und/oder Stufentiefe variieren, eine virtuelle Kollisionsgerade ermittelt werden, wie in 5 gezeigt.
Dabei kann die virtuelle Kollisionsgerade 50 insbesondere so gewählt sein, dass kein Abschnitt des ersten Bauteilabschnitts 20 in einen sogenannten Kollisionsbereich vorragt, d.h., dass ein korrespondierender Kollisionsraum beim Drucken der Druckbahnschichten des ersten Bauteilabschnitts 20 frei bleibt.
In einer Querschnittsansicht des Verbindungsbereichs V wird der Kollisionsbereich begrenzt durch die virtuelle Kollisionsgerade 50, die Normale N auf die Arbeitsfläche, und eine horizontalen Kollisionsebene HK des ersten Bauteilabschnitts 20.
Die horizontale Kollisionsebene HK gibt die maximale Höhe des geplanten ersten Bauteilabschnitts 20 an und fällt mit einer horizontalen Kollisionsebene hK der obersten Druckbahnschicht 22₄ in der 5 zusammen.
Die virtuelle Kollisionsgerade 50 schneidet die Normale N auf die Arbeitsfläche 6 und definiert damit den Scheitelpunkt für den ersten Neigungswinkel α1. Um die Druckbahnabschnitte der benachbarten Bauteilabschnitte 20, 30 möglichst spaltfrei oder mit einem minimalen Spalt (von beispielsweise maximal 50mm, vorteilhaft maximal 30mm, bevorzugt von maximal 20mm) aneinander angrenzend ausbringen zu können, wird der Scheitelpunkt des ersten Neigungswinkels α1 auf eine Kollisionskante K (vgl. 2b) der untersten bzw. ersten zu druckenden Druckbahnschicht des ersten Bauteilabschnitts 20 gesetzt.
Eine Druckbahnschicht kann im Rahmen der Planung einen rechteckigen bzw. nahezu rechteckigen Querschnitt haben, wie in der gezeigten Darstellung der 2b, 3, 5 und 6 gezeigt. Die Kollisionskante K einer Druckbahnschicht bezeichnet dabei im Querschnitt des Verbindungsbereichs betrachtet die dem zu druckenden Bauteilabschnitt (freiliegende) zugewandte Kante (in der Ansicht der 2b und 5 dargestellt als oberer Eckpunkt der untersten Stufe) der Oberseite der zugeordneten Druckbahnschicht des ersten Bauteilabschnitts 20.
Die Kollisionskante K einer Druckbahnschicht ergibt sich allgemein durch eine Schnittgerade einer horizontalen Kollisionsebene hK der jeweiligen Druckbahnschicht und einer vertikalen Kollisionsebene vK der jeweiligen zugeordneten Druckbahnschicht (vgl. 5).
Durch Planung einer virtuellen Kollisionsgeraden 50 wird zusammen mit der Normalen N auf die Arbeitsfläche und einer auf eine obere Fläche der obersten Druckbahnschicht des geplanten ersten Bauteilabschnitts 20 aufliegenden horizontalen Kollisionsebene HK der Kollisionsbereich und entsprechend der Kollisionsraum definiert, in den die Materialausgabeeinheit 4 beim späteren Fertigungsprozess eindringen kann, um den zweiten Bauteilabschnitt zu drucken, ohne dass sie dabei mit dem ersten bereits gedruckten Bauteilabschnitt kollidiert.
Der erste Neigungswinkel α1 kann ein festgelegter Standardwert sein, der für die meisten, wenn nicht alle, typischerweise eingesetzten Materialausgabeeinheiten geeignet ist, beispielsweise größer als 60 Winkelgrad. Auf diese Weise kann ein standardisierter Kollisionsbereich definiert werden.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann jedoch eine zusätzliche Analyse der Außengeometrie der tatsächlich eingesetzten Materialausgabeeinheit erfolgen, um den ersten Neigungswinkel α1 an die tatsächlichen Raumbedürfnisse der verwendeten Materialausgabeeinheit anzupassen. Diesbezüglich wird auch auf die 3 und 6 verwiesen.
So kann bei der Analyse zunächst eine Drucknormale N_Druck ermittelt werden, die wie die Normale N senkrecht auf die Arbeitsfläche 6 aufsteht
Weiterhin wird ein virtueller Druckwinkel α_Druck ermittelt. Dieser verläuft zwischen der Drucknormalen N_Druck und einer virtuellen Druckgeraden 52, die an einem Außenpunkt A der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit 4 angelegt ist und sich durch einen virtuellen Drehpunkt 54 erstreckt.
Dieser Druckwinkel α_Druck kann entsprechend anstelle eines Standardwertes für die Bestimmung des ersten Neigungswinkels α1 verwendet werden, wodurch eine auf die verwendete Materialausgabeeinheit 4 spezifizierte Anpassung der Verbindungsbereiche V der Bauteilabschnitte vorgenommen werden kann. Man erkennt in der 3, dass eine virtuelle Druckgerade 52', die auf der in Richtung x (Druckrichtung für den zweiten Bauteilabschnitt) orientierten Seite der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit 4 angelegt ist, einen anderen (größeren) virtueller Druckwinkel α_Druck zu der Drucknormalen N_Druck aufspannt als die virtuelle Druckgerade 52, die in Richtung zu dem ersten Bauteil 20 an der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit 4 angelegt ist.
Um die virtuelle Druckgerade 52, 52' an die für den späteren Fertigungsprozess relevante Außengeometrie der Materialausgabeeinheit 4 anzulegen, wird zunächst die Höhe der Materialausgabeeinheit 4 bei dem additiven Fertigungsprozess und die maximale Höhe des bzw. der gemäß der Planung bereits gedruckten Bauteilabschnitte (in den 3 und 6 als HK bezeichnet) ermittelt. Dabei wird nur diejenige Außengeometrie der Materialausgabeeinheit 4 berücksichtigt, die sich in ihrer Arbeitsposition unterhalb der horizontalen Kollisionsebene HK des bzw. der gemäß der Planung bereits gedruckten Bauteilabschnitte befindet (relevant ist dabei im Falle mehrerer bereits gedruckter Bauteilabschnitte die horizontale Kollisionsebene HK mit dem größten Abstand von der Arbeitsfläche 6).
Weiterhin wird im Rahmen der Analyse eine virtuelle Gerade durch einen zugeordneten virtuellen Drehpunkt 54 an der radialen Außenkante 56 des proximalen Endes 4a der Materialausgabeeinheit 4 gelegt und ausgehend von einer horizontalen Ausgangsposition um den virtuellen Drehpunkt 54 in Richtung zu der (relevanten) Außengeometrie der Materialausgabeeinheit 4 gedreht, bis diese virtuelle Gerade an einem radialen Außenpunkt A, A' der (relevanten) Außengeometrie der Materialausgabeeinheit 4 zur Anlage kommt. In dieser Lage bildet sie für den zugeordneten Drehpunkt 54 die virtuelle Druckgerade 52 aus.
Der virtuelle Drehpunkt 54, 54' ist ein Punkt an der radialen Außenkante 56 des proximalen Endes 4a der Materialausgabeeinheit 4. Dabei kann der virtuelle Drehpunkt 54 insbesondere so gewählt sein, dass dieser beim Drucken der Druckbahnschichten des weiteren Bauteils 30 dem bereits gedruckten Bauteilabschnitt 20 zugewandt ist (vgl. hierzu 3 und 6)
Bei einer einfacheren Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen erfindungsgemäßen Vorrichtung, kann der größte virtueller Druckwinkel α_Druck' der Materialausgabeeinheit 4 für die Planung des bzw. der Verbindungsbereiche V zugrunde gelegt werden. Dementsprechend kann eine virtuelle Außenhülle berechnet werden, die für den gesamten Umfang des proximalen Endes mit dem größten virtueller Druckwinkel α_Druck' der Materialausgabeeinheit 4 diese einschreibt. Hierzu wird die ermittelte Druckgerade 52' mit dem größten virtuellen Druckwinkel um 360 Winkelgrad um die Mittellängsachse der Materialausgabeeinheit 4 rotiert, woraus sich die Mantelfläche eines Kegelstumpfes ergibt.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass bereits bei der Analyse auch die Orientierung der Materialausgabeeinheit 4 hin zum Verbindungsbereich V bzw. zu dem bereits gedruckten Bauteilabschnitt 20 berücksichtigt wird und dementsprechend immer der relevante, d.h. dem angrenzenden Bauteilabschnitt zugewandte virtueller Druckwinkel α_Druck zugrunde gelegt wird. In diesem Fall kann theoretisch die Außenhülle für diese spezifische(n) Orientierung(en) basierend auf einem oder mehreren dem angrenzenden Bauteilabschnitt zugewandten virtuellen Druckwinkel(n) α_Druck und den zugehörigen Druckgeraden berechnet werden, wobei diese bei mehreren unterschiedlichen Orientierungen beispielsweise die Form eines Pyramidenstumpfes mit polygoner Grundfläche haben kann.
Bei der Planung kann ungeachtet dessen, ob ein spezifischer virtueller Druckwinkel α_Druck oder ein unspezifischer maximaler virtueller Druckwinkel α_Druck' aus der Analyse einfließt, der erste Neigungswinkel α1 anstelle auf einen festgelegten Standardwert festgelegt zu werden, derart gewählt werden, dass er größer oder gleich dem virtueller Druckwinkel α_Druck bzw. α_Druck' ist.
Insbesondere kann bei einer Ausführungsform der Erfindung jeder Punkt der Außenkante des proximalen Endes 4a der Materialausgabeeinheit 4 einen virtuellen Drehpunkt 54 für eine zugeordnete virtuelle Druckgerade 52 bilden und die Mantelfläche einer basierend hierauf berechneten Außenhülle durch die Vielzahl an virtuellen Druckgeraden aufgespannt werden.
Man erkennt schließlich auch in der 2b, dass das zweite Bauteil 30 im Bereich seiner angrenzenden Druckbahnabschnitte 32 eine zu der Verbindungskontur des ersten Bauteils 20 im Wesentlichen negative Verbindungskontur aufweist. Dementsprechend werden auch hier die Druckbahnabschnitte 32 der einzelnen Druckbahnschichten mit einem horizontalen Versatz hV aufeinandergeschichtet, allerdings im Überhang, wie in 2b gezeigt. Die für den Raumbedarf der Materialausgabeeinheit 4 geschaffene „Lücke“ durch den horizontalen Versatz hV nach hinten, d.h. der Kollisionsraum, wird auf diese Weise geschlossen bzw. minimiert, so dass die Druckbahnabschnitte der benachbarten Bauteilabschnitte 20, 30 aneinander anzugrenzen vermögen.
Dementsprechend ist in der gezeigten Ausführungsform ein zweiter Neigungswinkel α2, unabhängig davon wie der erste Neigungswinkel α1 ermittelt wurde, gleich groß oder etwas kleiner als der erste Neigungswinkel α1.
Nicht gezeigt sind die optionale Sensoreinheit und/oder Eingabeeinheit der Vorrichtung, die für eine vereinfachte Analyse der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit 4 genutzt werden können. Hierzu wird auf die Ausführungen in der Beschreibungseinleitung verwiesen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

PL 238057 B1 [0015, 0016, 0036]
US 10639844 B2 [0017]
CN 104328845 [0019]
WO 2019/241286 A1 [0023]

Claims

Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (2), wobei das gefertigte Bauteil (2) wenigstens zwei in einer horizontalen Ebene benachbarten Bauteilabschnitte (20, 30, 40, Bn) aufweist, die in wenigstens einem Verbindungsbereich (V) aneinander angrenzen; umfassend die Schritte: - Planung des wenigstens einen Verbindungsbereichs (V) der aneinander angrenzenden Bauteilabschnitte (20, 30, 40, Bn); - Steuerung einer Materialausgabeeinheit (4) zur Abscheidung eines Baustoffes; und - Steuerung einer Aktuatorbaugruppe (5), die ausgebildet ist, die Materialausgabeeinheit (4) über eine Arbeitsfläche (6) zu bewegen, um den Baustoff schichtenweise in vorgegebenen Druckbahnen (D) abzuscheiden, wobei zunächst wenigstens zwei aufeinandergeschichtete Druckbahnschichten (20₁, 20₂, 20_n) eines ersten der wenigstens zwei aneinander angrenzenden Bauteilabschnitte (20) und dann wenigstens eine Druckbahnschicht (30₁, 30₂, 30_n) eines zweiten der wenigstens zwei aneinander angrenzenden Bauteilabschnitte (30) abgeschieden werden; wobei der Verbindungsbereich (V) derart geplant wird, dass die wenigstens eine Druckbahnschicht (30₁, 30₂, 30_n) des zweiten Bauteilabschnitts (30) in dem wenigstens einen Verbindungsbereich (V) einen Druckbahnabschnitt (32₁, 32₂, 32_n) aufweist, der angrenzend an einen Druckbahnabschnitt (22₁, 22₂, 22_n) einer korrespondierenden Druckbahnschicht (20₁, 20₂, 20_n) des ersten Bauteilabschnitts (20) von der Materialausgabeeinheit (4) abgeschieden werden kann, damit die korrespondierenden Druckbahnschichten der wenigstens zwei Bauteilabschnitte in dem wenigstens einen Verbindungsbereich (V) aneinander anzugrenzen vermögen, und wobei gemäß der Planung des wenigstens einen Verbindungsbereichs (V) wenigstens ein oberer Druckbahnabschnitt (22₂) und wenigstens ein unterer Druckbahnabschnitt (22₁,) der wenigstens zwei aufeinandergeschichteten Druckbahnschichten (22₁, 22₂, 22_n) des ersten Bauteilabschnitts (20) mit einem horizontalen Versatz (hV) derart aufeinander geschichtet sind, dass eine Kollision der Materialausgabeeinheit mit den gedruckten Druckbahnschichten (20₁, 20₂, 20_n) des ersten Bauteilabschnitts (20) beim Drucken der wenigstens einen Druckbahnschicht (30₁, 30₂, 30_n) des zweiten Bauteilabschnitts (30) vermieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine obere Druckbahnabschnitt (22₂) und der wenigstens eine untere Druckbahnabschnitt (22₁) der wenigstens zwei aufeinandergeschichteten Druckbahnschichten (des ersten Bauteilabschnitts, die mit einem horizontalen Versatz (hV) zueinander aufeinander geschichtet sind, in einem Querschnitt des wenigstens einen Verbindungsbereichs (V) betrachtet eine erste Verbindungskontur definieren, die von einer Normalen (N) auf die Arbeitsfläche (6) abweicht.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt Planung des Verbindungsbereichs (V) die Planung einer virtuellen Kollisionsgeraden (50) umfasst, die in einem Querschnitt des wenigstens einen Verbindungsbereichs (V) betrachtet mit einer Normalen (N) auf die Arbeitsfläche einen ersten Neigungswinkel (α1) einschließt, der größer als 0 Winkelgrad und kleiner als 90 Winkelgrad ist, wobei der Scheitelpunkt des ersten Neigungswinkels auf eine Kollisionskante (K) der untersten bzw. ersten zu druckenden Druckbahnschicht (22₁,) des ersten Bauteilabschnitts (20) gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei in einem Querschnitt des wenigstens einen Verbindungsbereichs (V) betrachtet die virtuelle Kollisionsgerade (50), die Normale (N) auf die Arbeitsfläche (6), und eine horizontalen Kollisionsebene (HK) der Druckbahnschichten (20₁, 20₂, 20_n) des ersten Bauteilabschnitts (20) einen freien Kollisionsbereich definieren, in den kein Abschnitt der Druckbahnschichten (20₁, 20₂, 20_n) des ersten Bauteilabschnitts (20) vorragt, und wobei die horizontale Kollisionsebene (HK) des ersten Bauteilabschnitts (20) eine auf eine obere Fläche der obersten Druckbahnschicht des ersten Bauteilabschnitts (20) aufliegende horizontale Ebene umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Kollisionskante (K) einer Druckbahnschicht (20₁, 20₂, 20_n) eine tatsächlich vorgesehene oder virtuelle Kante einer Druckbahnschicht (20₁, 20₂, 20_n) umfasst, die definiert ist durch eine Schnittgerade einer horizontalen Kollisionsebene (hK), die horizontal auf der Oberseite der Druckbahnschicht (20₁, 20₂, 20₄) aufliegt, und einer vertikalen Kollisionsebene (vK), die vertikal an der dem zu druckenden angrenzenden Druckbahnabschnitt (32₁, 32₂, 32₄) des weiteren Bauteilabschnitts (30) zugewandten Seite der Druckbahnschicht (20₁, 20₂, 20₄) anliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der erste Neigungswinkel (α1) größer als 5 Winkelgrad und kleiner als 80 Winkelgrad ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der zweite gedruckte Bauteilabschnitt (30) wenigstens im Verbindungsbereich (V) wenigstens zwei aufeinandergeschichtete Druckbahnschichten (30₁, 30₂, 30_n) aufweist, wobei wenigstens ein oberer Druckbahnabschnitt (30₂) und wenigstens ein unterer Druckbahnabschnitt (30₁) der wenigstens zwei aufeinandergeschichteten Druckbahnschichten (30₁, 30₂, 30_n) des zweiten Bauteilabschnitts (30) mit einem horizontalen Versatz derart aufeinander geschichtet sind, dass diese in einem Querschnitt des wenigstens einen Verbindungsbereichs (V) betrachtet eine zweite, zu der ersten Verbindungskontur im Wesentlichen gegenläufige Verbindungskontur, aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt Planung des Verbindungsbereichs (V) die Planung einer virtuellen Anschlussgeraden (60) umfasst, die in einem Querschnitt des wenigstens einen Verbindungsbereichs betrachtet an die zweite Verbindungskontur angelegt wird, mit einer Normalen (N) auf die Arbeitsfläche (6) einen zweiten Neigungswinkel (α2) einschließt, der dem ersten Neigungswinkel (α1) der ersten Verbindungskontur entspricht oder kleiner als dieser ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner eine Analyse der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit umfasst, bei der anhand eines proximalen Endes (4a) der Materialausgabe (4) - eine Drucknormale (N_Druck) auf die Arbeitsfläche (6) bestimmt wird, die durch eine Ausgabeöffnung (4b) am proximalen Ende (4a) der Materialausgabeeinheit (4) verläuft, - eine virtuelle Druckgerade (52, 52') der Materialausgabeeinheit (4) bestimmt wird, die ausgehend von einem virtuellen Drehpunkt (54) auf einer radialen Außenkante des proximalen Endes (4a) der Materialausgabeeinheit (4) an die Außengeometrie der Materialausgabeeinheit angelegt ist, - wenigstens ein virtueller Druckwinkel (α_Druck; α_Druck') ermittelt wird, der von der Drucknormalen (N_Druck) auf die Arbeitsfläche (6) und der virtuellen Druckgeraden (52, 52') eingeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei bei dem Schritt Anlegen der virtuellen Druckgeraden (52, 52') an die Außengeometrie der Materialausgabeeinheit eine virtuelle Gerade, die durch einen zugeordneten virtuellen Drehpunkt (54, 54') verläuft, auf der radialen Außenkante (56) des proximalen Endes (4a) der Materialausgabeeinheit (4) ausgehend von einer horizontalen Ausgangsposition um den zugeordneten virtuellen Drehpunkt (54, 54') in Richtung zu der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit (4) gedreht wird, bis die virtuelle Gerade an einem radialen Außenpunkt (A, A') der Materialausgabeeinheit (4) zur Anlage kommt, um die entsprechende virtuelle Druckgerade (52, 52') auszubilden, wobei die Analyse der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit auf einen Geometriebereich der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit (4) begrenzt wird, der beim Drucken der wenigstens einen Druckbahnschicht des zweiten Bauteilabschnitts (30) in den Kollisionsbereich nach Anspruch 4 einzudringen vermag.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der virtuelle Drehpunkt (54, 54') einen Punkt auf einer radialen Außenkante des proximalen Endes (4a) der Materialausgabeeinheit umfasst, der beim Drucken der wenigstens einen Druckbahnschicht (30₁, 30₂, 30_n) des zweiten Bauteilabschnitts (30) dem Verbindungsbereich (V) am nächsten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Analyse der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit (4) die Berechnung einer virtuellen Außenhülle umfasst, insbesondere in Form eines Kegels oder Kegelstumpfs, einer Pyramide oder Pyramidenstumpfs, die die Materialausgabeeinheit einschließt, wobei das proximale Ende (4a) der Materialausgabeeinheit (4) die Spitze bzw. Deckfläche der virtuellen Außenhülle umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Analyse der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit (4) die Bestimmung einer Vielzahl von virtuellen Druckgeraden (52, 52') umfasst und jeder Punkt der radialen Außenkante des proximalen Endes (4a) einen virtuellen Drehpunkt (54, 54') für die Bestimmung zugeordneter virtueller Druckgeraden (52, 52') umfasst, derart dass die virtuelle Außenform eine Vielzahl von virtuellen Druckgeraden (52, 52') aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Analyse der Außengeometrie der Materialausgabeeinheit basierend auf Sensordaten oder -signalen und/oder basierend auf der Materialausgabeeinheit zugeordneten Daten oder Signalen und/oder basierend auf durch einen Anwender manuell eingegebenen Daten oder Signalen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 14, wobei bei dem Schritt Planen des Verbindungsbereichs (V) der horizontale Versatz (hV) und gegebenenfalls der erste Neigungswinkel (α1) der virtuellen Kollisionsgeraden (50) wenigstens so groß gewählt wird, dass dann, wenn sich ein proximales Ende (4a) der Materialausgabeeinheit (4) an dem Scheitelpunkt des Neigungswinkels (α1) befindet, der dem bereits gedruckten ersten Bauteilabschnitt (20) zugewandte virtuelle Druckwinkel (α_Druck) kleiner als oder gleich dem Neigungswinkel (α1) ist.
Vorrichtung (3) zur additiven Fertigung eines Bauteils (2), wobei das gefertigte Bauteil (2) wenigstens zwei in einer horizontalen Ebene benachbarte Bauteilabschnitte (20, 30, 40, Bn) aufweist, umfassend: eine Materialausgabeeinheit (4) zur Abscheidung eines Baustoffes; eine Aktuatorbaugruppe (5), die ausgebildet ist, die Materialausgabeeinheit (4) über eine Arbeitsfläche (6) zu bewegen, um den Baustoff schichtenweise in vorgegebenen Druckbahnen (D) abzuscheiden; sowie wenigstens eine Steuereinheit zur Steuerung der Aktuatorbaugruppe (5), wobei die Vorrichtung (3) dazu eingerichtet ist, das Verfahren mit den Schritten gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen, derart, dass die Steuereinheit die Aktuatorbaugruppe zunächst zur schichtweisen Abscheidung des Baustoffs für wenigstens zwei Druckbahnschichten des ersten der wenigstens zwei aneinander angrenzenden Bauteilabschnitte und im Anschluss daran zur schichtweisen Abscheidung des Baustoffs für wenigstens eine Druckbahnschicht des angrenzenden zweiten der wenigstens zwei aneinander angrenzenden Bauteilabschnitte anzusteuern vermag.
Vorrichtung (3) nach Anspruch 16, wobei die Vorrichtung (3) weiter eine Planungseinheit zur Planung wenigstens eines Verbindungsbereichs der wenigstens zwei aneinander angrenzenden Bauteilabschnitte (20, 30, 40, Bn) umfasst; und wobei die Planungseinheit dazu eingerichtet ist, den wenigstens einen oberen Druckbahnabschnitt und den wenigstens einen unteren Druckbahnabschnitt der wenigstens zwei aufeinandergeschichteten Druckbahnschichten des ersten Bauteilabschnitts, die mit einem horizontalen Versatz (hV) zueinander aufeinander geschichtet werden sollen, derart zu planen, dass diese in einem Querschnitt des wenigstens einen Verbindungsbereichs (V) betrachtet eine erste Verbindungskontur definieren, die von einer Normalen (N) die Arbeitsfläche (6) abweicht.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Planungseinheit als integraler Bestandteil der Steuereinheit oder als hiervon separate Einheit ausgebildet ist, die in direkter oder indirekter kommunikativer Verbindung mit der Steuereinheit steht .
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Planungseinheit dazu eingerichtet ist, basierend auf Daten oder Signalen, die von wenigstens einem Sensor und/oder von der Materialausgabeeinheit und/oder einer Datenbank und/oder durch manuelle Eingabe von einem Anwender bereitgestellt werden, eine Außengeometrie der Materialausgabeeinheit zu analysieren, wobei die Planungseinheit insbesondere dazu eingerichtet ist, anhand eines proximalen Endes (4a) der Materialausgabe (4) - eine Drucknormale (N_Druck) auf die Arbeitsfläche (6) zu bestimmen, die durch eine Ausgabeöffnung (4b) am proximalen Ende (4a) der Materialausgabeeinheit (4) verläuft, - eine virtuelle Druckgerade (52, 52') der Materialausgabeeinheit (4) zu bestimmen, die ausgehend von einem virtuellen Drehpunkt (54, 54') auf einer radialen Außenkante des proximalen Endes (4a) der Materialausgabeeinheit (4) an die Außengeometrie der Materialausgabeeinheit (4) angelegt ist,, und - wenigstens einen virtuellen Druckwinkel (α_Druck; (α_Druck') zu ermitteln, der von der Drucknormalen (N_Druck) auf die Arbeitsfläche (6) und der virtuellen Druckgeraden (52, 52') eingeschlossen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Planungseinheit in kommunikativer Verbindung mit einer Sensoreinheit und/oder einer Eingabeeinheit zur manuellen Eingabe in direkter oder indirekter kommunikativer Verbindung steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei Vorrichtung eine Datenbank zur Bereitstellung von spezifischen Informationen zu der Materialausgabeeinheit umfasst, anhand derer die Vorrichtung die Außengeometrie der Materialausgabeeinheit analysieren kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei die Steuereinheit mit wenigstens einer Sensoreinheit der Vorrichtung in kommunikativer Verbindung steht, um basierend auf Informationen der Sensoreinheit die Aktuatorbaugruppe (5) und optional die Materialausgabeeinheit (4) anzusteuern.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Sensoreinheit wenigstens einen der nachfolgenden Sensoren umfasst: mechanischer Sensor, optischer Sensor, optische Aufnahmeeinrichtung, kapazitiver Sensor, induktiver Sensor.
Verwendung einer Vorrichtung (2) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 23 zur additiven Fertigung eines Bauteils (2), das wenigstens zwei in einer horizontalen Ebene benachbarte Bauteilabschnitte (20, 30, 40, Bn) aufweist, insbesondere eines Bauwerks oder Teilen von Bauwerken.
Additiv gefertigtes dreidimensionales Bauteil (2), hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 oder mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei das Bauteil (2) wenigstens zwei in einer horizontalen Ebene benachbarte Bauteilabschnitte (20, 30, 40, Bn) aufweist, die aneinander angrenzend additiv gefertigt sind.