3D打印装置的制作方法

本发明涉及一种3d打印装置。

背景技术：

生成式或增材式制造方法，一般也被称作“3d打印方法”，从物体的数字化的几何模型出发，将一种或多种初始材料按顺序层状叠置并且固化。因此，例如在熔融沉积成型(英语：“fuseddepositionmodeling”，fdm，或“fusedfilamentfabrication”)中，由成型材料(例如塑料或金属)以层状方式构造构件，其方式为：带形地或线形地提供成型材料，将其通过加热液化并且借助于从喷嘴挤出而施加到打印底座上，由此在冷却之后得到固态的、连续的构件。3d打印提供了不同寻常的设计自由度并且尤其允许以可管理的(überschaubarem)成本来制造物体，这些物体可能是以常规的方法无法制造或只有在显著的成本下才能制造。出于此原因，3d打印方法现在广泛用于工业设计、汽车工业、航空和航天工业中或一般而言工业产品开发中，在所述工业产品开发中，使用资源高效的工艺环节来按照需要小规模生产或大规模生产个性化的构件。

如今的基于挤出的3d打印装置(“3d打印机”)大部分具有带有开放式打印环境或封闭的打印室的笛卡尔式或三角运动式的(deltakinematische)驱动系统。在具有封闭的打印室/构造室的3d打印机的情况下，可以使用具有相对高的熔融温度(>300℃)的材料以及半晶态材料，所述半晶态材料在打印过程期间要求特殊的温度条件。在这种情况下，打印环境还可以例如在空气湿度、压力、组成等方面对特定的需求进行定制。

在科学研发和技术开发中，最近追求机器人辅助的3d打印方案，其中使用工业机器人。在这种情况下，通常用开放式的打印环境来工作，这使得在温度、压力等方面的调节变得异常困难。原理上仍然可能将由机器人和3d打印机形成的整个机器结构包围起来。然而，这可能意味着显著的成本，以在200℃或300℃或更高的提高的温度下保护机器人和3d打印机的敏感的电子器件，以便确保运动器件的功能性。

文献us2015/0217514a1描述了一种具有消毒生产环境的3d打印装置。在此设有具有手风琴式折叠的消毒的侧壁的封闭腔室，这些侧壁大到足够接纳所制造的物体。用于材料沉积的两个打印喷嘴穿过一对位于腔室顶侧上的阀，以便防止空气和颗粒进入腔室中。在此，打印喷嘴设计为相对于物体水平地以及在竖直方向上运动，其中在形成物体时，腔室向竖直的方向上扩展。在此，腔室限制(abgespannt)在侧壁带上，以防止腔室触碰到待制造的物体。

在此背景下，本发明的基本目的在于：找到具有封闭的打印室的3d打印装置的更灵活的解决方案，尤其用于机器人辅助的应用。

技术实现要素：

根据本发明，该目的通过一种具有权利要求1的特征的3d打印装置来实现。

据此地提出一种3d打印装置。所述3d打印装置包括：打印底座；可运动的打印头，所述打印头被设计为，在所述打印底座上由成型材料增材式制造构件；柔性的打印室盖，所述打印室盖从所述打印头出发跨越所述打印底座，从而形成在所述打印头与所述打印底座之间封闭的打印室，其中所述打印头的打印喷嘴伸入所述打印室中，用于施加所述成型材料；以及支撑结构，所述支撑结构包括柔性的支撑杆，所述支撑杆从所述打印头延伸到所述打印底座，并且所述支撑杆将所述打印室盖固定在所述打印底座上方。

本发明所基于的想法为：创造一种柔性的、大小和形状可变化的、然而同时在可运动的打印头与打印底座之间仍然封闭的打印体积，所述打印体积一定程度上“跟随”打印头的运动。为此，由打印室盖形成的柔性结构从打印头延伸到打印底座，所述打印室盖由支撑构造固定。在此，打印室盖用于限定封闭的打印室，即打印室盖在罩盖的意义上覆盖打印底座。支撑结构在另一侧支撑这个打印室盖，与帐篷杆支持帐篷布类似，并且负责将打印室盖固定并且稳定在打印底座上方。尤其可以避免打印室盖与打印底座以及位于其上的打印产品或挤出物发生接触。为此，支撑结构具有支撑杆，所述支撑杆由于其柔性而可以一定程度上跟随打印头的运动。在打印头运动时，例如平移和/或转动时，打印室盖以及打印头处的支撑结构一起被带动，打印室因此变形。在此，由于盖的柔性，随时确保打印室保持封闭。打印室因此是可调节的，即打印室例如可以被加热、用气体填充、被抽真空、可以改变打印室内的湿度值等。因此，尤其可以密封打印体积以避免污染。另一方面，3d打印装置的敏感部件，例如打印头的电子器件和/或机器人结构，可以保留在打印室外部的未经调节的环境中，使得不必针对打印室内部的条件(例如提高的温度)来保护这些部件。仅打印头的用于沉积成型材料直接所需的区域可以伸入打印室中，即尤其一个或多个打印喷嘴。所述一个或多个打印喷嘴还可以被设计为，不仅施加成型材料而且施加支撑材料，所述支撑材料可以用于支撑所沉积的成型材料或所打印的构件。

3d打印方法是尤其有利的，因为它们可以实现以原始成型的方法制造三维部件，而无需适配于部件的外部形状的特殊制造模具。由此可以实现构件和部件的高效率的、节省材料且节省时间的制造过程。这样的3d打印方法在航空和航天领域是特别有利的，因为其中使用非常多不同的、适配于特殊的使用目的的部件，所述部件在这种3d打印方法中可以以低成本、低制造准备时间和低复杂度在对于制造而言必需的制造设备中制造。

在本申请的意义上的3d打印方法包括所有生成式或增材式制造方法，其中基于几何形状模型在特定的生成式制造系统中借助于化学和/或物理工艺从没有形状的材料(如液体和粉末或中性形状的半成品，比如带状或线状材料)来制造预定形状的物体。在此，在本申请的意义上的3d打印方法使用增材过程，其中按顺序以层状方式将初始材料构造成预定的形状。在本发明的意义上的3d打印方法尤其包括熔融沉积成型(fdm)、选择性激光烧结(sls)、选择性激光熔融(slm)以及类似的方法。本发明对于具有高的打印速率和(纤维)增强的复合材料的增材制造是特别相关的。

有利的构型和改进方案从其他从属权利要求以及从参考附图的说明得出。

根据一种改进方案，打印室盖可以包括至少一层的箔片。打印室盖可以因此特别简单地节省重量和成本地设计。在使用箔片时，打印室盖且因此总系统可以特别简单地缩放至任意大小。限制仅在于最大可能的箔片大小。然而，单独的箔片可以粘合和/或焊接成更大的区段。例如，箔片可以由塑料制成，例如聚酰亚胺或硅酮。然而，箔片同样可以具有两层或多层，例如设计为复合箔片。替代于塑料或附加于塑料，可以设置其他的材料，如金属。可以根据在打印室中设有怎样的条件来选择箔片材料。例如，可以使用特别耐热的和/或耐撕裂的材料。

根据一种改进方案，打印室盖可以包括双层的箔片。双层的箔片可以具有可填充的间隙。这样的双层箔片例如可以用作绝缘层，其中间隙可以用绝缘介质填充和/或充气。

根据一种改进方案，用可反复松脱的封闭带将打印室盖紧固在打印头处和/或紧固在打印底座处。在此可以使用总体上对本领域技术人员而言已知的并且适合于所述应用目的的解决方案作为封闭带，例如尼龙搭带、磁力带、拉链等。打印室盖因此可以快速并且简单地从打印头和/或打印底座松脱。

根据一种改进方案，打印室盖可以藉由可反复松脱的封闭带打开。在此，封闭带可以沿打印室盖从打印头延伸到打印底座。因此，通过用封闭带创造开口，可以快速地接近打印室。

根据一种改进方案，打印头可以具有紧固环，支撑杆支承在所述紧固环中。例如可以在紧固环中设置环绕的孔，支撑杆可以简单地插入到所述孔中。此外，在打印底座中也可以设置对应的孔。然而，替代性地，支撑杆还可以以其他方式紧固或支承在打印头处和/或打印底座处。

根据一种改进方案，打印室盖可以紧固在紧固环处。例如，打印室盖可以藉由胶带粘接到紧固环处。替代性地或额外地，可以使用可反复松脱的封闭带来进行紧固。原则上，在另外的构型中同样提出，将打印室盖以其他方式紧固在打印头处，例如在不提供特殊的紧固环的情况下。

根据一种改进方案，打印室盖可以具有可控的通气口，藉由所述通气口可以相对于3d打印装置的环境压力来设定打印室的内部压力。例如可以在打印室盖处设置一个或多个阀，以便将空气和/或气体导入打印室盖中并且再次导出。以这种方式，例如在打印室内可以产生相对于3d打印装置的环境的(略微的)超压力。这样可以调整打印室盖的体积、形状和稳定性。

根据一种改进方案，打印头可以设计为能够沿至少一条平移轴线和/或沿至少一条旋转轴线运动。例如，打印头可以沿着常见的平移轴线运动，即在三个相互垂直的空间方向上。然而，替代性地或额外地，打印头还可以设计为可以围绕一个或多个旋转方向旋转，以实现在沉积成型材料时尽可能高的灵活性。

根据一种改进方案，打印头可以设计为工业机器人的端部执行器。在此，工业机器人可以主要布置在打印室外部，工业机器人尤其可以位于打印室外部并且仅以打印头的区段、例如以打印头的打印喷嘴伸入到打印室中。因此，工业机器人的敏感部件可以保留在可调节的打印室外部，并且不必针对打印室中占主导的条件(例如高温)而受到保护。

根据一种改进方案，打印底座可以形成飞行器结构的表面。例如，可以这样直接在机翼、机身、或飞行器尤其乘用飞行器的其他结构的表面上打印，这使得这种方案特别高效。尤其由于本发明，不需要包围整个部件，而仅需要用打印室盖封闭应进行增材制造区域，在所述区域。所以，表面或载具的其余区域也不必经历打印室的特殊条件，例如提高的温度。自然，打印底座同样可以形成任意其他部件的表面，例如陆地或水上载具的部件。

上面的构型和改进方案在有意义的情况下可以任意地彼此组合。本发明的其他可行的构型、改进方案和实现方式还包括本发明的先前或随后参照实施例描述的特征的没有明确提及的组合。在此，本领域技术人员尤其还可将单独的方面作为改进内容或补充内容添加到本发明的相应的基础形式中。

附图说明

下面借助于在示意性附图中给出的实施例来详细解说本发明。在附图中：

图1示出根据本发明的实施方式的3d打印装置的示意性透视截面图；

图2示出根据本发明的另一实施方式的3d打印装置的示意性透视截面图；

图3和图4示出图1中的3d打印装置的示意性透视细节图；

图5示出具有图1中的3d打印装置的放大的单独细节的示意性透视截面图；

图6和图7示出根据本发明的另一实施方式的3d打印装置的示意性透视细节图；

图8示出具有图6和图7中的3d打印装置的放大的单独细节的示意性透视截面图；

图9示出根据本发明的另一实施方式的3d打印装置的示意性透视截面图。

附图标记列表

1-3d打印装置；2-打印底座；3-打印头；4-构件；5-打印室盖；6-打印室；7-打印喷嘴；8-支撑结构；9-支撑杆；10-间隙；11-封闭带；12-紧固环；13-通气口；14-平移轴线；15-旋转轴线；16-工业机器人；17-飞行器结构；18-胶带；19-阀；20-孔；21-连接件；22-机器人控制装置；23-打印头控制装置；24-成型材料供应器；25-抽空装置；26-加热装置；27-打印板；28-热空气源。

附图应当提供对本发明实施方式的进一步理解。它们展示了实施方式并用于与说明书相关地解说本发明的原理和概念。其他的实施方式和上述优点中的许多都从查看附图而得出。图中的元素并不一定是相对彼此按比例显示的。

在附图中，相同的、功能相同的和以相同方式起作用的元件、特征和部件，只要没有另外详细说明，就相应地设置有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出根据本发明的实施方式的3d打印装置1的示意性透视截面图。3d打印装置1的不同的细节视图在图3至图5中示出。

3d打印装置1包括打印底座2，在所述打印底座上制造由成型材料构成的构件。例如，成型材料可以包括一种或多种塑料、金属材料、陶瓷材料和/或复合材料，例如纤维增强的塑料。打印底座2例如可以为打印平台，如通常在增材制造中使用的，例如桌台、板等。然而，替代性地，打印底座2还形成构件或结构的表面。示例性地，图2在此示出一个实施例，其中打印底座2是飞行器结构17的表面，例如，飞行器机身和/或飞行器机翼的表面。在这种情况下，直接在飞行器结构17的表面上制造构件。

3d打印装置1还包括可运动的打印头3，所述打印头被设计为，在打印底座2上由成型材料增材式制造构件4。打印头3例如可以设计为具有三个或更多个运动轴的fdm打印头，例如具有三个平移自由度或轴和两个旋转自由度或轴的5轴运动机构。因此，打印头3可以被设计为，从材料供应器获得呈带状或线状形式的成型材料。将成型材料加热，由此变得具有流动性并且然后通过打印头3的一个或多个打印喷嘴7来施加(参见图5上部)。示例性地，在图3和图4标示平移轴线14和旋转轴线15。此外，支持/支撑材料可以藉由打印喷嘴7施加。

在示出的实施方式中，打印头3尤其被设计为工业机器人16的端部执行器，即打印头3可以借助于控制器通过工业机器人16被带到打印底座2或位于其上的所打印产品或挤出物上方的不同的位置和取向中。

3d打印装置1还包括柔性的打印室盖5，所述打印室盖从打印头3出发跨越打印底座2，从而形成在打印头3与打印底座2之间封闭的打印室6。在此，打印头3的用于施加成型材料的打印喷嘴7伸入打印室6中(参见图5)。因此，打印室盖5形成打印底座2上方的一种封闭的罩盖或穹顶。打印室盖5例如可以为由耐热的塑料，例如聚酰亚胺(如kapton)、硅酮等制成的单层或多层箔片。打印室盖5还可以在多个箔片层之间具有至少一个间隙10，例如示例性地在图5中右上部示意性指示的。这个间隙10可以与通气口，例如阀19联接。这样，间隙10例如可以用绝缘气体填充或充气。

在根据图1和图3至图5的示例性构型中，打印室盖5藉由胶带18紧固在打印头3以及打印底座2处(参见图5上部以及右部)。原理上，在此可以应用例如在制造纤维复合材料部件时已知的建立真空的技术。

由于打印室盖5作为箔片的柔性构型，在打印头3运动时打印室盖一定程度上被一起带动，因此改变打印室6的形状。图3和图4另外示出两个实例，其中打印头3在图4中位于打印底座2附近，并且在图3中与打印底座2具有最大竖直距离，即打印室6拥有其最大可能的体积。在图4中，打印室盖5因此获得压入或收回的结构。

为了避免打印室盖5与打印底座2和/或挤出物或已打印的构件发生接触，3d打印装置1还包括在打印室盖5内由柔性的支撑杆9形成的支撑结构8。在此，支撑杆具体地从打印头3延伸到打印底座2，并且将打印室盖5支撑或固定在打印底座2上方。原理上，这个结构在此使人想起帐篷，其中帐篷布放置在由杆形成的支架上。因此，在这种情况下的支撑杆9中也可以使用类似的材料或构型，例如由金属和/或塑料制成的半刚性的帐篷杆、纤维增强的塑料杆、简单的塑料条等。支撑杆9例如可以插入到打印头3和打印底座2中，例如藉由特别为此设置的孔，或以其他方式可松脱地或不可松脱地紧固在打印头3和打印底座2处。此外，支撑杆9可以与打印室盖5牢固地或弹性地连接，例如藉由接片、粘合连接、条带等。

由于支撑杆9的柔性构型，支撑结构8因此与打印室盖5一起在一定范围内跟随打印头3运动。然而杆9也可以设计为如此刚性的：与打印头3的位置无关地阻止接触打印底座2或所打印的构件。

打印室盖5还具有可控的通气口13，藉由所述通气口能够相对于3d打印装置1的环境压力来设定打印室6的内部压力(参见图3)。通气口13例如可以具有一个或多个阀或可以设计为阀。由此，打印室6与位于其上方的打印室盖5连同支撑结构8一起可以一定程度地充气，以便额外地稳定打印室盖5。因此，在图3和图4中，与打印头3的对应运动相组合，还可以调整打印室6的内部压力。在一个特别简单的实施方式中，例如可以藉由通气口13将热空气泵入打印室6中和/或将空气排出。替代性地或额外地，可以在打印室6中藉由加热装置加热空气或气体。

其结果是，由此创造了在打印头3与打印底座2之间封闭的打印室6，所述打印室现在可以与相应的应用相对应地例如在温度、压力、湿度、空气/气体组成等方面进行调节。打印室6由于联接到打印头3而随时匹配打印头的运动。在此，仅打印头3的打印喷嘴7伸入打印室6中。这意味着，仅打印头3的这个区段必须设计为相对于在打印室6中占主导的条件(例如针对提高的温度)稳健的或有耐受性的。相反，工业机器人16或打印头3的敏感的电子或其他的部件可以保留在打印室6外部。因此，提供了特别灵活且简单的解决方案用于具有封闭的打印室6的机器人辅助的3d打印装置。在图2的实施方案的情况下，还可以针对性地仅覆盖飞行器表面的某一子区段。飞行器的其余部分因此不受增材过程直接影响。

图6至图8示出根据本发明另一实施方式的3d打印装置1的不同视图。原理上，3d打印装置1具有与图1至图5中的3d打印装置1相似的结构。

然而与彼处的不同在于，打印室盖5在此藉由可反复松脱的封闭带11紧固在打印底座2以及打印头3处，使得打印室盖5可以随时快速地安装(拆卸)或打开/关闭。为此，在打印底座2上设有环绕的连接件21，封闭带11中的一个封闭带紧固在所述连接件处(参见图8右下部)。此外，打印头3具有紧固环12(参见图8上部)，封闭带11中的另一个封闭带进而紧固在所述紧固环处。紧固环12还具有用于支承支撑杆9的孔20(参见图8上部)。对应的支承件自然同样可以设置在打印底座2中(未示出)。第三封闭带11在打印室盖5处从打印头3延伸到打印底座2，并且可以用于随时快速且简单地打开打印室盖5，而不必为此将其与打印头3或打印底座2松脱。封闭带11例如可以为尼龙搭带、磁力带、拉链等。

此外，在打印室盖5中引入两个通气口13，例如一个进气阀和一个出气阀。藉由这两个通气口13，例如可以实现加热的空气的穿过，所述空气可以从这两个通气口13中的一个进入并且从对应地另一个通气口13再次排出，例如用于调节打印室6的压力，在适当时与打印头3的运动的控制器联接。

图9示出根据本发明的另一实施方式的3d打印装置1的示意性透视截面图。与图1至图8中的实施方案一样，这个3d打印装置1也具有工业机器人16，其端部执行器设计为打印头3。藉由机器人控制装置22控制工业机器人16，与之相反，打印头3由特殊的打印头控制装置23管控。将带状的或线状的成型材料从成型材料供应器24处引导到打印头3、加热并且最后藉由打印头3的打印喷嘴7施加，以便在打印底座2上层状地建立构件4。与图1至图8中的实施方案一样，这个3d打印装置1也具有柔性的打印室盖5和具有柔性支撑杆9的支撑结构8(后者出于清晰性的原因未示出)。打印室盖5紧固在打印底座2以及打印头3处，并且跨越打印室6，其中仅打印头3的打印喷嘴7伸入到打印室6中，而工业机器人16的其余部件位于打印室6外部。打印室盖5的具体的紧固方式在此可以与图6至图8中的类似地藉由封闭带11进行(未示出)。打印头3为此再次具有紧固环12。

3d打印装置1在打印底座2上还包括加热装置26，例如加热板，如从增材制造领域中已知的，用作实际的打印平台的打印板27(例如玻璃板)位于所述加热板上。打印板27和加热装置26藉由抽空装置25被吸到打印底座2处并且固定在那里。在此，加热装置26可以以常见的类型和方式设计，以便将所打印的构件4尽可能均匀地加热，使得在构件冷却和固化后不发生变形。

此外，3d打印装置1具有两个通气口13，其中在通气口13中的一个通气口处示例性地标示了热空气源27(例如热风枪)。通过在这个通气口13处吹入热空气可以调节打印室盖5以及因此打印室6的体积。另一个通气口13可以作为排气阀起作用，空气(或气体)可以藉由所述排气阀在必要时排出。

机器人控制装置22和打印头控制装置23调整工业机器人16或打印头3的运动，其中使打印头3运动，以在打印底座2上层状地制造构件4。与上述实施方式类似，打印头3在此可以沿多条平移和旋转轴线运动。同时，可以由控制装置22、23调整打印室6的调节，例如在温度、压力等方面。为此，在3d打印装置1中还设有对应的传感器，例如温度传感器、压力传感器等，这些传感器与控制装置22、23通信。如有必要，可以随时通过打开封闭带11来接近打印室6，例如在3d打印装置1功能故障的情况下。

在打印头3与打印底座2之间封闭的打印室6可以与相应的应用相对应地例如在温度、压力、湿度、空气/气体组成等方面进行调节。打印室6与上述实施方式对应地同样适配于打印头3的运动。工业机器人16或打印头3的敏感的电子或其他的部件布置在打印室6外部，并且不必针对打印室6内部的条件受到保护。同时，支撑结构8与经调整的内部压力相关地负责使打印室盖5不与已打印的构件4发生接触。

在上面的详细说明中，在一个或多个实例中总结了用于改进图示的严谨性的各种特征。然而在此应当清楚的是，上面的说明仅仅是展示性的而绝不是限制性的。该说明用于涵盖不同特征和实施例的所有替代方案、修改和等效物。在查阅上文说明的情况下，本领域技术人员基于其专业知识将立即且直接地明了许多其他的实例。

选出并说明这些实施例以便能够尽可能最好地展现本发明所基于的原理及其在实践中的应用可能性。由此，本领域技术人员可以参照预期的使用目的来最优地修改和使用本发明及其不同的实施例。在权利要求书以及说明书中，术语“包含”和“具有”用作对应术语“包括”的中性语言的概念化(neutralsprachlichebegrifflichkeiten)。此外，术语“一个”的使用原则上应当不排除多数个所描述的特征和部件。