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Die Erfindung betrifft eine Druckvorrichtung zum Drucken von 3D-Objekten mit dem Fused-Deposition-Modeling-Verfahren (FDM-Verfahren).
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Das FDM-Verfahren beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Druckkopf einen förderbaren Polymerfaden aufschmilzt und in mehreren Lagen auf eine relativ dazu verlagerbare Unterlage aufbringt, um daraus ein dreidimensionales Bauteil zu erzeugen. Die Förderung des Filaments erfolgt in der Regel über ein verzahntes Förderrad, das gegen das Filament drückt und über eine Drehbewegung das Filament in die Heizdüse einführt. Das grundlegende Prinzip des FDM-Verfahrens ist z.B. in
US 5,121,329 beschrieben.
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FDM-Verfahren werden grundsätzlich nach zwei unterschiedlichen Prinzipien gegliedert.
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Ein Prinzip verwendet ein Bowden-System. Hierbei sind Förderrad-Antrieb und Förderrad stationär am Gehäuse des Druckers befestigt. Das Filament wird in eine Ummantelung gedrückt, welche als Bowdenzug wirkt. Die Ummantelung führt das Filament bis zum Druckkopf in die Heizdüse. Das Bowden-System hat den Nachteil, dass durch die Kompression des Filaments in der Ummantelung nur eine ungenaue Dosierung des Filaments an der Heizdüse möglich ist.
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Beim geläufigeren Direktantrieb hingegen sind Förderrad-Antrieb und Förderrad direkt im Druckkopf untergebracht. Diese Anordnung hat den Nachteil, dass der Druckkopf entsprechend dem hohen Gewicht des Motors schwerer wird und sich die dynamische Genauigkeit des Systems verringert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckvorrichtung zum Drucken von 3D-Objekten mit dem FDM-Verfahren zu schaffen, bei der eine genaue Dosierung der abgegebenen Materialmenge möglich ist und der Druckkopf ein möglichst geringes Gewicht aufweist, um eine hohe dynamische Genauigkeit der Druckkopfbewegung zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Druckvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß umfasst die Druckvorrichtung zum Drucken von 3D-Objekten mit dem Fused-Deposition-Modeling-Verfahren ein Gehäuse, ein höhenverstellbares Druckbett und einen Druckkopf zum Drucken des zu erzeugenden Objekts, der eine Heizdüse und ein Förderrad zum Fördern eines Filaments zur Heizdüse aufweist. Außerdem umfasst die Druckvorrichtung mindestens eine Druckkopf-Verschiebungseinheit mit mindestens einem Druckkopf-Verschiebungsantrieb zum Bewegen des Druckkopfs in zwei Dimensionen, und eine Förderrad-Antriebseinheit mit einem Förderrad-Antrieb zum Antreiben des Förderrads. Dabei ist der Förderrad-Antrieb abseits des Druckkopfes angeordnet, und die Förderrad-Antriebseinheit zur Übertragung des Drehmoments vom Förderrad-Antrieb zum Förderrad weist eine Drehmoment-Übertragungseinheit auf, die mindestens ein wellenartiges Übertragungselement umfasst, das eine Längsachse definiert, wobei die Drehmoment-Übertragungseinheit derart ausgestaltet ist, dass eine Bewegung des Druckkopfs in beide Richtungen entlang der Längsachse relativ zum Förderrad-Antrieb gewährleistet ist.
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Somit ist eine Druckvorrichtung geschaffen, bei der der Druckkopf besonders wenig bewegte Masse aufweist.
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Wesentliche vorteilhafte Details der erfindungsgemäßen Konstruktion sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich außerdem aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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1 ist eine Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckvorrichtung;
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2 ist eine Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckvorrichtung.
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In 1 und 2 sind zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Druckvorrichtung dargestellt. Die Druckvorrichtung umfasst jeweils ein Gehäuse 15, in dem ein Druckkopf 2 in x-Richtung und in y-Richtung verfahrbar angeordnet ist. Der Druckkopf 2 umfasst eine Heizdüse 13 und ein Förderrad 5 zum Fördern eines Filaments 12 zur Heizdüse 13. Die Heizdüse 13 ist an der Unterseite des Druckkopfs 2 angeordnet und schmilzt das Filament 12 auf. Das geschmolzene Filament 12 wird von der Heizdüse 13 auf ein Druckbett 17 aufgebracht und bildet dort das erzeugte Bauteil 19.
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Bevorzugt ist das Druckbett 17 mit einer Heizplatte 18 versehen. Die Heizplatte 18 hat die Aufgabe, die Temperatur des Bauteils 19 möglichst hoch zu halten, um einen Verzug des Bauteils 19 zu verringern und ein ungewolltes Ablösen des Bauteils 19 während des Druckvorgangs zu verhindern. Des Weiteren kann durch das Beheizen des Druckbetts 17 die Umgebungstemperatur in der Druckkammer 14 nahe dem Bauteil 19 erhöht bzw. konstant gehalten werden und damit die Bindung zwischen den Schichten innerhalb des Bauteils 19 beim Druckvorgang verbessert werden.
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Damit die hohen Temperaturen der Heizdüse 13 auch in der Druckkammer 14 nahe dem Bauteil 19 aufrechterhalten bleiben, ist die Abgrenzung der Druckkammer 14 zur Umgebung durch ein Gehäuse 15 vorgesehen. Die Aufgabe des Gehäuses 15 ist es, eine möglichst gute Isolierung zwischen der Druckkammer 14 und der Umgebung außerhalb des FDM-Systems zu schaffen.
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Die Heizdüse 13 ist für Temperaturen bis über 400° C ausgelegt. Dabei kann der Druckkopf 2 in einer speziellen Ausführungsform mit Kühlwasser versorgt werden. Somit erfolgt die hohe Wärmeabgabe der Heizdüse 13 überwiegend an das Filament 12, ohne dass umliegende Maschinenkomponenten eine zu hohe Temperaturbeeinträchtigung erfahren. In einer weiteren Ausführungsform ist es vorstellbar, den Druckkopf 2 mit zwei oder mehreren Heizdüsen 13 und einer entsprechenden Anzahl an Förderrädern 5 zu versehen.
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Eine Förderrad-Antriebseinheit 29 umfasst einen Förderrad-Antrieb 4 zum Antreiben des Förderrads 5, der abseits des Druckkopfs 2, vorzugsweise in einem durch eine Trennwand 28 von der Druckkammer 14 getrennten Raum des Gehäuses 15, angeordnet ist. Hierdurch wird die thermische Entkopplung des Förderrad-Antriebs 4 von der hohen Temperatur im Bereich des Bauteils 19 gewährleistet.
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Vorzugsweise ist der Förderrad-Antrieb 4 an einer Wand des Gehäuses 15 der Druckvorrichtung angeordnet und dort vertikal verschiebbar an einer Linearführung 27 gelagert.
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Zur Übertragung des Drehmoments vom Förderrad-Antrieb 4 zum Förderrad 5 umfasst die Förderrad-Antriebseinheit 29 eine Drehmoment-Übertragungseinheit 36. Diese Drehmoment-Übertragungseinheit 36 umfasst ein wellenartiges Übertragungselement 1, das eine Längsachse definiert. Die Drehmoment-Übertragungseinheit 36 ist derart ausgestaltet, dass eine Bewegung des Druckkopfs 2 in beide Richtungen entlang der Längsachse relativ zum Förderrad-Antrieb 4 gewährleistet ist.
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Wellenartige Übertragungselemente 1 für die erfindungsgemäße Druckvorrichtung sind beispielsweise Vierkantwellen, Dreikantwellen, Drehmomentwellen, Kugelnutwellen, Drehmomentkugelbuchsen sowie weitere, in der Literatur beschriebene Komponenten.
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Um die rotatorische Bewegung des Förderrad-Antriebs 4 auf das Förderrad 5 zu übertragen, wird die Bewegung des Förderrad-Antriebs 4 zunächst über einen Riemen 9, vorzugsweise einen Zahnriemen, auf eine erste Antriebsscheibe 3 übertragen. Die erste Antriebsscheibe 3 ist an einem in x-Richtung verfahrbaren Schlitten 33 angebracht, auf den weiter unten näher eingegangen wird. In dieser Antriebsscheibe 3 ist das wellenartige Übertragungselement 1 drehmomentfest gelagert (1) oder starr befestigt (2).
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In der ersten Ausführungsform gemäß 1 ist das wellenartige Übertragungselement 1 in der Antriebsscheibe 3 in y-Richtung axial verschiebbar gelagert und am anderen Ende mit einem Antriebsritzel 16 fest verbunden, das wiederum mit dem Förderrad 5 in Wirkverbindung steht. In der zweiten Ausführungsform gemäß 2 bildet die Antriebsscheibe 3 mit dem wellenartigen Übertragungselement 1 eine starre Einheit und das Förderrad 5 selbst wird axial verschiebbar angeordnet.
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Auch eine Kombination aus beiden Ausführungsformen (Verschiebbarkeit sowohl des wellenartigen Übertragungselements 1 als auch des Förderrads 5 bzw. des Antriebsritzels 16) ist denkbar, um beispielsweise eine bessere Bauraumaufteilung zu erzielen. Es ist dem Fachmann jeweils auch freigestellt, ob das wellenartige Übertragungselement 1 direkt oder über Zwischengetriebe auf das Förderrad 5 wirkt.
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Die Druckvorrichtung in 1 und 2 weist weiterhin mindestens ein Führungselement 10 auf, welches in der Lage ist, die achsparallele Relativbewegung des Druckkopfs 2 relativ zur Antriebsscheibe 3 und zum Förderrad-Antrieb 4 in der geforderten Genauigkeit zu ermöglichen. Ein solches Führungselement 10 kann aus einer, zwei oder mehreren Führungsschienen bestehen. Solche Führungselemente 10 sollten möglichst leichtgängig und daher vorzugsweise als Wälzlager ausgeführt sein. Weiter sollten die Führungselemente 10 einen hohen Temperaturbereich überstehen, ohne die Genauigkeit der Vorrichtung zu beeinflussen. Das Führungselement 10 durchdringt den Druckkopf 2 und ist am Schlitten 33 befestigt. Vorzugsweise ist das Führungselement 10 am anderen Ende ebenfalls verfahrbar gelagert, um eine größere Stabilität zu erzielen.
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Vorteilhafterweise wird die Übertragung des Drehmoments von dem wellenartigen Übertragungselement 1 zum Förderrad 5 durch ein Getriebe übersetzt, wie in 1 dargestellt. So braucht während des Druckvorgangs weniger Drehmoment über das wellenartige Übertragungselement 1 übertragen werden und die relative, axiale Verschiebebewegung des wellenartigen Übertragungselements 1 kann aufgrund der geringeren Flächenpressung und der damit einhergehenden niedrigeren Reibung leichtgängiger ausgeführt werden. Idealerweise ist ein solches Getriebe in Form einer Stirnradstufe 6 ausgeführt. Die Stirnradstufe 6 umfasst ein Antriebsritzel 16 und ein Abtriebsrad 8, das wiederum drehsteif mit dem um dieselbe Drehachse bewegten Förderrad 5, das auch als Profilrad bezeichnet wird, zur Filamentförderung verbunden ist. Das Förderrad 5 kann auch selbst eine Zahnrad-Verzahnung aufweisen und kann dann auch direkt mit dem Antriebsritzel 16 verbunden sein. In diesem Fall entfällt das Abtriebsrad 8.
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Wie in 1 dargestellt ist, wird die Achsbewegung des Druckkopfs 2 in y-Richtung durch eine erste Druckkopf-Verschiebungseinheit 30 gewährleistet, die einen ersten Druckkopf-Verschiebungsantrieb 26 umfasst. Die Druckkopf-Verschiebungseinheit 30 umfasst außerdem in der Ausführungsform gemäß 1 eine Gewindespindel 20 und eine Spindelmutter 21. Dabei wird die Drehbewegung der axial fest gelagerten Spindelmutter 21 vorzugsweise durch eine umschließende zweite Antriebsscheibe 22 ausgeführt, die von einem Riemen 23, vorzugsweise einem Zahnriemen, mit der Antriebskraft des ersten Druckkopf-Verschiebungsantriebs 26 beaufschlagt ist. Die zweite Antriebsscheibe 22 ist am Schlitten 33 gelagert. Das Ende der nicht-rotierenden Gewindespindel 20 ist in dieser Ausführungsform fest mit dem Druckkopf 2 verbunden.
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In 2 wird die Bewegung des Druckkopfs 2 entlang der y-Achse ebenfalls bevorzugt durch eine Gewindespindel 20 und eine Spindelmutter 21 gewährleistet. Die Gewindespindel 20 durchdringt hierbei den Druckkopf 2 vollständig. Aus Platzgründen wird in diesem Fall die Gewindespindel 20 durch eine daran befestigte, axial feste Antriebsscheibe 22 zur Drehung angetrieben. Die Spindelmutter 21 ist hingegen drehsteif und axial fest am Druckkopf 2 befestigt.
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Durch eine zweite Druckkopf-Verschiebungseinheit 31, die einen zweiten Druckkopf-Verschiebungsantrieb 24 mit einem weiteren Riemen 25 (vorzugsweise Zahnriemen) aufweist, wird der Schlitten 33, der fest mit dem Riemen 25 verbunden ist, entlang der x-Achse bewegt. Somit kann der Druckkopf 2 entlang der x-Achse verschoben werden. Der Schlitten 33 ist hierzu vorzugsweise an mindestens einem weiteren Führungselement 11 verschiebbar gelagert. Durch die beiden Druckkopf-Verschiebungseinheiten 30, 31 und die Führungselemente 10, 11 kann der Druckkopf 2 innerhalb eines Verfahrbereichs in einer x/y-Ebene an jeden beliebigen Punkt positioniert werden. Jeder der drei Antriebe 4, 24, 26 ist vorzugsweise als Schrittmotor ausgebildet.
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Entsprechend der Verlagerung der Antriebsscheibe 3 zu dem Förderrad-Antrieb 4 in der x-Richtung erfährt der Riemen 9 eine theoretische Längenänderung. Diese theoretische Längenänderung kann durch eine Anordnung entsprechend 1 und 2 ausgeglichen werden, indem der Förderrad-Antrieb 4 in Richtung der Schwerkraft F verschiebbar gelagert ist. Zur Steigerung der Spannung des Riemens 9 kann das Eigengewicht des Förderrad-Antriebs 4 bei Bedarf mit Gewichten unterstützt werden. Ebenso ist denkbar, die Spannung des Riemens 9 mit Hilfe eines Federelements 38, beispielsweise in Form einer Zug- oder Druckfeder, zu erhöhen.
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Für den Druckkopf-Verschiebungsantrieb 24 zum Bewegen des Druckkopfes 2 entlang der x-Achse ist der Riemen 25 bevorzugt als eine umlaufende Riemenanordnung ausgebildet. Es kommen aber auch viele andere Antriebslösungen für die genauen Positionierbewegungen des Schlittens 33 in x-Richtung in Frage, wie beispielsweise Spindeltriebe.
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Die in Bezug auf den Riemen 9 beschriebene theoretische Längenänderung kann identisch auch beim Riemen 23 der Druckkopf-Verschiebungseinheit 30 in Richtung der y-Achse auftreten. Hierbei ist ebenfalls eine verschiebbare Schwerkraftlösung des Druckkopf-Verschiebungsantriebs 26 möglich. Der Druckkopf-Verschiebungsantrieb 26 ist dann höhenverstellbar unterhalb der Gewindespindel 20 im Gehäuse 15 an einer weiteren Linearführung 37 gelagert. Auch hier kann die Spannung des Riemens 23 durch zusätzliche Gewichte oder Federelemente (entsprechend den Federelementen 38) angepasst werden.
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Die Druckkopf-Verschiebungsantriebe 24, 26 sind vorzugsweise in der Nähe des Förderrad-Antriebs 4 angeordnet. Somit sind die Druckkopf-Verschiebungsantriebe 24, 26 ebenfalls abseits des Druckkopfs 2 angeordnet, vorzugsweise auch außerhalb der Druckkammer 14.
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Die Positionierung des Bauteils 19 entlang der z-Achse wird in 1 und 2 durch das höhenverstellbare Druckbett 17 erreicht, vorzugsweise durch eine Gewindespindel und eine Spindelmutter in Verbindung mit einem weiteren Antrieb 32.
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Die Ausführungsform gemäß 2 ist insgesamt platzsparender als die Ausführung gemäß 1, weil hier das wellenartige Übertragungselement 1 nicht in einen Raum auf der dem Druckkopf 2 abgewandten Seite des Schlittens 33 hineinragt. Ebenso ragt die Gewindespindel 20 in 2 nicht in einen Raum auf der dem Druckkopf 2 abgewandten Seite des Schlittens 33 hinein.
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Aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus ist der zur Filamentförderung benötigte Förderrad-Antrieb 4 vom Druckkopf 2 entkoppelt angeordnet, und vorzugsweise ist zudem auch der Druckkopf-Verschiebungsantrieb 26 für die y-Achse von den Bewegungen des Druckkopfs 2 entkoppelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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