DE19963948A1

DE19963948A1 - Verfahren zum Modellbau

Info

Publication number: DE19963948A1
Application number: DE19963948A
Authority: DE
Inventors: Zsolt Herbak
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-31
Filing date: 1999-12-31
Publication date: 2001-07-26
Also published as: DE50003229D1; AU2829501A; EP1242230B1; ATE246589T1; EP1242230A1; US20030004599A1; JP2003519022A; WO2001049477A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Modellbau (Rapid Prototyping) werden zwei Komponenten (A, B) in einem Mischer (12) eines verfahrbaren Auftragskopfes gemischt und die dabei entstehende Modellbaumasse durch die Düse (14) des Auftragkopfes abgegeben. Hierdurch wird schichtweise das Modell aufgebaut. Die beiden Komponenten führen eine volumenvergrößernde Reaktion miteinander aus, so dass die Schichten des Modells relativ groß, ca. 1-5 cm, sein können (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Modellbau nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist eine Vielzahl solcher sogenannten Rapid Prototyping-Methoden bekannt, die alle darauf beruhen, ein Modell aus einem Kunststoff schichtweise aufzubau en (siehe z. B. Industrieanzeiger 47-48/97, S. 52-64).

Durch die immer kürzer werdenden Produktzyklen gewinnt die Methode des Ra pid Prototyping zunehmend an Bedeutung. Der Schichtenbau erfolgt im allge meinen vollautomatisch, wobei die Steuersignale aus einem 3-D CAD-Datensatz gewonnen werden. Die bisherigen Verfahren sind relativ langsam und nur für kleine Modelle geeignet. Das Herstellen von Modellen mit Volumina in der Grö ßenordnung ab 1 m³ ist praktisch ausgeschlossen. Dies hat zur Folge, daß groß volumige Modelle, beispielsweise 1 : 1 Modelle von Automobilen immer noch mit im wesentlichen handwerklichen Methoden mit entsprechend hohem Aufwand und Kosten gefertigt werden müssen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Mo dellbauverfahren zu schaffen, bei dem großvolumige Modelle zumindest im we sentlichen automatisch hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Modell schichtweise aus einem Kunststoff aufgebaut, welcher unmittelbar vor dem Auftragen oder nach dem Auftragen, beziehungsweise beim Auftragen aus einem Auftragskopf sein Volu men vergrößert, beispielsweise ein PU-Hartschaum.

Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 2a-d eine erste Variante des Verfahrens,

Fig. 3a-d eine zweite Variante des Verfahrens,

Fig. 4 einen Mischkopf zur Durchführung des Verfahrens in einer ersten Arbeitsstellung,

Fig. 5 einen Mischkopf zur Durchführung des Verfahrens in einer zwei ten Arbeitsstellung,

Fig. 6 eine Detailansicht des Mischkopfes.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens. Die Vorrichtung weist einen an einem Portalroboter 20 befestigten Auf tragskopf auf. Der Auftragskopf 10 besteht aus einem Mischer 12 mit einer Düse 14. Eine geeignete Mischer/Düse-Einheit wird unten mit Bezug auf die Fig. 4 bis 6 beschrieben.

Zwei Komponenten A und B, welche sich jeweils in Tanks 30, 40 befinden, wer den zunächst mit den beiden Niederdruckförderanlagen 36, 46 zu den beiden Hochdruckpumpen 32, 42 gefördert. Die durch die beiden Servomotoren 34, 44 über elektromechanische Lineareinheiten angetriebenen Hochdruckpumpen 32, 42, die hier nach dem doppelwirkenden Kolbenpumpen-Prinzip arbeiten, pumpen die Komponenten mit einem Systemdruck von 100-200 bar weiter zum Mischer 12. Die Höhe des Förderdrucks wird mit Druckaufnehmern erfaßt, und an den Zentralrechner weitergeleitet. Die Pulsation in den angeschlossenen Anschluß leitungen wird mittels Stickstoffblasen geglättet.

Im Mischer 12 werden die Komponenten durchmischt und treten durch die Düse 14 aus. Die Komponenten A und B führen eine chemische Reaktion aus, welche zu einer Volumenvergrößerung der Substanz führt. Der Auftragskopf wird in allen drei Raumrichtungen verfahren, so daß ein Modell schichtweise aufgebaut wird. Der Schaum, der durch die beiden Komponenten A und B gebildet wird, erreicht sein Endvolumen so schnell und entwickelt eine so große Anfangsfestigkeit, daß bei jedem Durchgang des Auftragskopfs eine neue Schicht auf die zuvor er zeugte Schaumschicht aufgetragen werden kann. Die Schichtdicke einer jeden Schaumschicht beträgt hierbei etwa zwischen 1 und 5 cm. Die Steuerung der ge samten Anlage wird von einem Zentralrechner übernommen, wobei die Steuersi gnale aus einem CAD-Datensatz erzeugt werden. Wichtig ist, daß die Bewegung des Mischkopfes auf seiner Raumkurve mit der Förderleistung der Hockdruck pumpen 32, 42 synchronisiert ist. Um die jeweiligen Fördermengen und somit auch das Mischungsverhältnis der beiden Hochdruckpumpen 32, 42 exakt regeln zu können, empfiehlt es sich, sie beim Pumpen mit Servomotoren 34, 44 anzu treiben. Durch die genaue Regelbarkeit des Mischungsverhältnisses können auch die Eigenschaften des Schaumes während des Herstellungsprozesses des Modells verändert werden.

Folgende Arbeitsparameter sind beispielsweise möglich:
Als Komponente A dient MDI (Isocyanat), als Komponente B ein Polyolgemisch mit Additiven. Beispielsweise kann folgende Rezeptur verwendet werden:

Hier erfolgt die eigentliche chemische Reaktion im Mischer 12 mit einer Topfzeit von ca. 10 Sekunden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Anlage ein Meßsy stem auf, welches die Form des bereits hergestellten Modellteils kontrolliert. Mit tels einer Rückkopplung an den Zentralrechner können somit Sollwertabwei chungen in den folgenden Durchgängen, beispielsweise durch Änderung des Mischungsverhältnisses der Komponenten A und B oder durch eine Änderung der Geschwindigkeit des Auftragskopfes ausgeglichen werden.

In den meisten Anwendungsfällen werden die Außenmaße eines Modells, wel ches ausschließlich mit der oben beschriebenen Methode hergestellt wurde, zu ungenau sein. Außerdem wird häufig eine glatte, harte und lackierfähige Oberflä che benötigt, die mit der Aufschäummethode nicht herstellbar ist. Es werden deshalb zwei Methoden zur Endbearbeitung des Modells vorgeschlagen.

Bei der ersten Methode (s. Fig. 2) wird zunächst das Grundmodell auf Untermaß gefertigt (Figur a), b)). In einem zweiten Schritt wird mittels eines zweiten Auf tragskopfs 50 ein Kunststoff, im allgemeinen ein Zweikomponenten-Kunststoff auf das Grundmodell aufgetragen. In der Regel muß dieser zweite Auftragskopf 50 fünfachsig bewegbar sein. Da es schwierig sein dürfte, den Kunststoff so auf zutragen, daß sich ein exaktes Außenmaß ergibt, empfiehlt es sich, diesen Kunststoff mit Übermaß aufzutragen und nach Aushärten das Modell auf Sollmaß zu überfräsen. Ein hierzu eingesetzter Fräskopf 60 kann ebenfalls CNC- gesteuert sein und muß im allgemeinen über 5 Achsen verfügen. Es ist denkbar, dass alle diese Arbeiten vom selben Portalroboter durchgeführt werden, wobei nur die Arbeitsköpfe ausgetauscht werden.

Bei einer zweiten Methode (s. Fig. 3) wird das Grundmodell zuerst mit Übermaß gefertigt. Anschließend wird dieses Grundmodell mittels eines Fräskopfes 60 auf Sollmaß gebracht. Um eine harte Oberfläche zu erhalten, wird nun noch mittels eines Sprühkopfes 70 ein Zweikomponenten-Kunststoff aufgetragen.

Es wird weiterhin vorgeschlagen, zwischen die Schichten des Models Zwischen lagen, beispielsweise aus Aluminiumblech oder Folie einzulegen. Solche Zwi schenlagen können glatt, perforiert oder perforiert und in sich verschränkt sein - beispielsweise Streckmetall. Solche Bleche/Folien werden jeweils nach einem "Durchgang" des Auftragskopfes auf die jeweils oberste Schicht aufgelegt. Dies kann per Hand oder mittels eines Roboters geschehen. Solche Zwischenschich ten haben den Vorteil, dass sie Zugkräfte aufnehmen und somit das Modell sta bilisieren können. Ob und wie viele solcher Zwischenschichten nötig oder wün schenswert sind, hängt unter anderem von der Größe des Modells und von der Materialwahl ab.

Es wird nun noch ein geeigneter Auftragskopf beschrieben:
In Fig. 4 ist ein geeigneter Mischkopf im Querschnitt dargestellt. Mischer 12 und Düse 14 bilden hier eine bauliche Einheit. Ein Mischkammergehäuse 105 weist eine zylindrische Mischkammer 100 auf, welche nach unten hin offen ist und so mit die Düse 14 bildet. Im Mischkammergehäuse 105 ist der Kolben 150 axial verschieblich gelagert. Die axiale Verschiebung des Kolbens 150 wird mittels des im Hydraulikzylinder 120 gelagerten Hydraulikkolbens 160 bewirkt. Der Hydrau likkolben 160 ist starr mit der Hydraulikstange 165 gekoppelt, welche an ihrem unteren Ende das erste Kugellager 168 trägt. Am inneren Kranz des Kugellagers 168 ist die Keilwelle 155 gehalten, so dass Hydraulikstange 165 und Keilwelle 155 axial gekoppelt, jedoch bezüglich der Rotation um die Achse A-A entkoppelt sind. Die Keilwelle 155 durchstößt das Kopplungselement 140, wodurch Kopp lungselement 140 und Keilwelle 155 in ihrer Rotationsbewegung gekoppelt sind. Am Ende der Keilwelle 155 ist der in der Mischkammer 100 angeordnete Kolben 150 befestigt.

Das oben erwähnte Kopplungselement 140 ist mittels des zweiten Kugellagers 145 mit dem Lagerflansch 110 verbunden, welcher wiederum starr am Misch kammergehäuse 105 angeflanscht ist. Das Kopplungselement 140, welches im wesentlichen symmetrisch bezüglich der Achse A-A aufgebaut ist, trägt an seiner Außenseite den Zahnkranz 142. Der Zahnkranz 142 und somit auch das Kopp lungselement 140 ist mit dem Motor 135 antreibbar. Dazu ist auf der Motorachse des Motors 135 das Zahnrad 136 angebracht, welches wiederum mittels des Zahnriemens 137 mit dem Zahnkranz 142 in Verbindung steht. Der Motor 135 ist über die Konsole 130 an der Laterne 115 bzw. am Lagerflansch 110 an geflanscht.

Am Kopplungselement 140 ist der Rührstab 152 angeordnet, welcher sich paral lel zur Achse A-A in die Mischkammer 100 erstreckt, wobei er den Kolben 150 durchstößt.

Im Mischkammergehäuse 105 sind die beiden Düsen 170 angeordnet, durch welche die beiden zu mischenden viskosen Flüssigkeiten in die Mischkammer 100 gepresst werden. Die beiden Düsen 170 sind in den Fig. 4 und 5 nur schematisch dargestellt.

In Fig. 6 ist dargestellt, wie die Düsen 170 aufgebaut sein können. Das Misch kammer-Gehäuse 105 weist zwei Ausnehmungen 105A auf, in die jeweils ein Düsenkörper 171 eingesetzt ist (dargestellt ist hier jedoch nur ein Düsenkörper 171). Innerhalb des Düsenkörpers 171 wird der Hochdruck, welcher extern auf gebaut wird (s. oben), mittels eines Einspritzkolbens 172 geregelt und die Flüs sigkeit durch die Düsenkörperöffnung 173 aus dem Düsenkörper 172 herausge drückt. Solche Anordnungen sind in der Technik bekannt und sollen hier nicht weiter beschrieben werden. Die eigentlichen Düsenöffnungen sind hier die Aus trittsbohrungen 105B von gehärteten Düsenspitzen 105C im Mischkammer- Gehäuse 105. Es wäre auch denkbar die Düsenkörper bis an die Mischkammer heranzuführen, so dass die Vorderfront des Düsenkörpers Teil der Seitenwan dung der Mischkammer wird. In diesem Fall wären Düsenkörperöffnung und Austrittsbohrung der Düsenspitzen identisch.

Die prinzipielle Arbeitsweise des Mischers wird nun beschrieben:
In Fig. 4 ist die erste Arbeitsstellung der Vorrichtung gezeigt. Hierbei befindet sich der Kolben 150 oberhalb der Düsenöffnungen der Düsen 170. In dieser Stellung werden die zu mischenden Flüssigkeiten durch die Düsen 170 in die Mischkammer 100 eingespritzt. Das Einspritzen geschieht normalerweise unter Hochdruck, d. h. mit Einspritzdrücken über 100 bar. Während des Einspritzvor gangs wird das Kopplungselement 140 mittels des Motors 135 und somit auch der Kolben 150 und der Rührstab 152 in Rotation versetzt. Durch die Rotation des Kolbens 150 und des Rührstabs 152 können auch hochviskose Flüssigkeiten miteinander vermischt werden. Die durchmischten Flüssigkeiten treten am unte ren Ende der Mischkammer 100 nach außen aus.

Nach Beendigung des Mischvorgangs wird die Zufuhr der beiden Flüssigkeiten durch die Düsen 170 abgestellt, anschließend wird mittels Druckbeaufschlagung des Hydraulikkolbens 160 der Kolben 150 axial in der Mischkammer 100 nach unten geschoben (siehe Fig. 5). Dadurch werden die verbliebenen Reste aus der Mischkammer 100 ausgeschoben und somit die Mischkammer 100 gereinigt. Gleichzeitig erfolgt auch ein Abstreifen und somit Säubern des Rührstabes 152. Soll die Produktion nun wieder aufgenommen werden, wird der Kolben 150 wie der in die in Fig. 1 gezeigte Position zurückgezogen und der Zyklus kann von neuem beginnen.

Durch die hier beschriebenen Selbstreinigungsfunktion ist sichergestellt, daß die Mischer/Düse-Einheit bei jeder Produktionsunterbrechung, beispielsweise auch zum Einlegen einer Zwischenschicht (s. oben), einfach gereinigt werden kann. Dies ist bei einem schnell aushärtenden PU-Schaum, wie er hier Verwendung finden soll, wichtig.

Claims

1. Verfahren zum Modellbau, unter Verwendung einer Modellbaumasse, die schichtenweise mittels eines Auftragskopfes auf einer Unterlage aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Modellbaumasse verwendet wird, deren Volumen sich unmittelbar vor, während oder nach der Abgabe vom verfahr baren Auftragskopf vergrössert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Modellbauma sse ein Kunststoff verwendet wird, der sein Volumen unter Lufteinwirkung vergrössert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Modellbauma sse ein Kunststoff verwendet wird, der aus mindestens zwei Komponenten (A, B) besteht, die während und/oder nach ihrer Mischung unmittelbar vor dem Auftragen eine volumenvergrössernde Reaktion miteinander durchfüh ren.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsbahn des dreidimensional verfahrbaren Auftragskopfs aus einer Umsetzung der Geometriedaten eines vorgegebenen, konkreten oder virtuellen Modellent wurfs in Steuersignale für eine Antriebseinrichtung des Auftragskopfes er zeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Geo metriedaten des Modellentwurfs ein 3D-CAD-Datensatz verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der- CAD-Datensatz in einen Satz von Steuersignalen umgesetzt wird, die suk zessive von der Antriebseinrichtung und vom Auftragskopf abgearbeitet wer den.

7. Verfahren nach Anspruch 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß Raumin formationen des entstehenden Modells, insbesondere die jeweils erzeugte Schichtdicke nach Beendigung der Volumenvergrösserung, sensorisch er fasst und in Form von Regelgrößen oder Korrektursignalen mit den Steuersi gnalen verrechnet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag der Modellbaumasse in horizontalen Schichten erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Generierung des Steuersignalsatzes aus dem CAD-Datensatz und ggf. den Korrektursi gnalen so erfolgt, daß die Auftragsparameter des Auftragskopfes und die Bewegung seiner Antriebseinheit eine im wesentlichen konstante Schichtdic ke des Kunststoffs nach Beendigung der Volumenvergrößerung bewirken.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke zwischen 1 und 5 cm gewählt ist.

11. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch seinen Einsatz zur Herstellung eines Modells in der für die Realisierung des Modellentwurfs vorgesehenen Originalgröße (Maßstab 1 : 1).

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch seinen Einsatz zur Er zeugung von Kraftfahrzeugmodellen.

13. Verfahren nach Anspruch 1 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Steu ersignalsatz derart aus den 3D-CAD-Daten generiert wird, daß ein Modell mit homogener Dichte entsteht.

14. Verfahren nach Anspruch 1 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Steu ersignalsatz derart an den 3D-CAD-Daten generiert wird, daß ein Modell mit homogenem Kernbereich und mit einem zumindest teilweise umhüllenden Schalenbereich erzeugt wird, dessen Dichte von der Dichte des Kernbereichs abweicht, insbesondere größer gewählt ist.

15. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell ab hängig von der Schichtenstruktur mit Untermaß oder Übermaß hergestellt und in einem nachfolgenden Arbeitsgang endbearbeitet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als End bearbeitungsverfahren Beschichtungen, Glättungen oder Abtragungen einge setzt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modellaufbau in mindestens zwei Abschnitten erfolgt, in denen unterschiedliche Modell baumassen eingesetzt werden.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung der Endbearbeitung oder beim Wechsel der Modellbaumasse der Auftragskopf gegen ein Endbearbeitungswerkzeug oder einen anderen Auftragskopf ausgetauscht wird.

19. Verfahren zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8-18, ge kennzeichnet durch einen Portalroboter (20) als Antriebseinheit für den Auf tragskopf und/oder die Endbearbeitungswerkzeuge.

20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass Bleche oder Folien zwischen Schichten der Modellbaumasse eingebracht werden.

21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Auftragskopf eine Düse (12) und einen Mischer (14) aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß an den Mischer (14) zwei Einspritzpumpen (32, 42) angeschlossen sind.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritz pumpen (32, 42) von Servomotoren (34, 44) angetrieben sind.