DE102015012706A1 - 3D-Druckkopf rnit extra-langer Kombination aus Düse und Förderkanal für amorphe und kristalline Verbrauchsmaterialien - Google Patents

Abstract

3D-Druckkopf mit extra-langer Kombination aus Düse und Förderkanal für amorphe und kristalline Verbrauchsmaterialien mit variierbarem Erweichungsbereich zur Vermeidung von Filament-Blockaden im Förderkanal und vereinfachtem Düsentausch.

Description

• 3D-Druckköpfe fördern Verbrauchs-Materialien durch einen Förderkanal zu einer Austritts-Öffnung (Düse).
• Druckköpfe (auch hotend) des FDM-Verfahrens variieren in ihrer Bauform. Breit durchgesetzt haben sich mittlerweile Druckköpfe vollständig aus Stahl und Aluminium aufgebaut (fulmetal hotend).
• Diese fulmetal Bauformen haben aber noch Mängel, welche sich darin zeitigen, daß ein hotend besonders
• • gut für amorphe als auch kristalline Materialien geeignet ist, die Bauform jedoch
• • keinen schnellen Düsenwechsel zulässt. Der Verwender muss erheblichen Aufwand betreiben, um die Düse zu wechseln.
• Eine andere Bauform ermöglicht zwar das
• • schnelle Wechseln von Düsen, zeigt aber
• • Schwierigkeiten beim Drucken von amorphen Materialien insbesondere von PLA-Filament oder anderen über ein breites Temperatur-Spektrum erweichenden Materialien (z. B. „Layceramic”, ein sinterbares FDM-Filament mit hohem keramischen Füllstoffgehalt) Das liegt am ausgedehnten Erweichungsbereich innerhalb des Förderkanales durch mangelhafte Trennung von heißen und abgekühlten Zonen entlang der Ausdehnung des Förderkanales.
• • Diese Bauform ist unter Umständen auch nicht dicht gegenüber geschmolzenem Material. Dieses rinnt bei nicht perfekt ausgeführter Dichtfläche aus der Pressfläche zwischen Förderkanal und Düse aus.
• Die vorliegende Erfindung macht sich zur Aufgabe, ein hotend zu kreieren, welches unter anderem
• • amorphe als auch kristalline Thermoplaste, ohne die Neigung im Förderkanal zu blockieren (wegen zu hoher Reibung zwischem erweichtem Material und der Innen-Wandung), fördert,
• • den Wechsel von Düsen (zwecks Durchmesser-Wechsel der Austrittsöffnung) sehr vereinfacht,
• • die Aufheizzeiten erheblich zu reduziert,
• • die Leckage-Neigung baulich völlig ausschließt,
• • die eingesetzte Wärmeenergie zum Aufschmelzen des Filamentes nur zu einem geringeren Teil über die Kühlvorrichtung ableitet,
• • weiterhin sind keine hotends bekannt, welche über die Möglichkeit verfügen, den Innen-Durchmesser des Förderkanales, welcher bei bisherigen Bauformen im Kühlkörper verläuft, durch einfaches Austauschen einer preiswerten Einheit (FDK) auszutauschen, dies ist wichtig bei der Verwendung unterschiedlicher Filament-Durchmesser, etwa auch bei übergroßen Filamenten, die nicht in einen beispielsweise für 3,0 mm ausgelegten Förderkanal hineinpassen. Hier müssten der Kanal und die ganze Kühleinheit gewechselt werden.
• Die Aufgabe wird gelöst durch eine Düsen-Förderkanal-Kombination (Einheit) welche dem hotend dient, Heizkörper, als auch Kühlkörper, sowie Sensoren daran zu befestigen.
• Diese erfindungsgemäße Einheit dient als zentrales Verbindungs-Bauteil. An ihr werden per Klemmung (in der Art einer Schelle) die anderen Bauteile angeklemmt, eingespannt oder per Schraubung befestigt.
• Hierfür muß die Montage-Platte M nicht vom Druckkopf-Schlitten entfernt werden, welches als weiterer erheblicher Vorteil angesehen wird
• Ein solches hotend ist zusätzlich in der Lage, auch solche Verbrauchsmaterialien zu fördern, die keine Thermoplaste für das FDM-Verfahren sind.
• Etwa Pasten, Silikone, Teige mineralische Massen, aktinisch oder durch chemische Reaktionen aushärtbare Polymere, also generell Materialien, welche bei zu Beginn der Förderung sich nicht im festen Aggregat-Zustand befinden.
• Weitere Teile der Beschreibung sind den Erläuterungen der jeweiligen Figuren angefügt. Beschreibung/Legende

  Fig. 1 links	Stand der Technik: Ganz-Metall-3D Druckkopf (Bauart: Josef Prusa/CZ.) • mit mechanischer Förderung des Materiales über Andruckrolle durch Motor; bestehend aus einer • fest zusammengefügten Einheit aus Förderkanal mit Düse und Kühlblock (E-FK) • sowie abnehmbarem Heizblock (per Schraubverbindung vom Förderkanal der Einheit E-FK abnehmbar) und • einer Montage-Platte (M)
  Fig. 1 rechts	Darstellung der Zerlegbarkeit zwecks Wechseln des Düsendurchmessers = Austausch der kompletten Einheit E-FK
  Fig. 2 links	Stand der Technik: Ganz-Metall-3D Druckkopf (Bauart: E3D/UK) Dieses Hotend besteht aus einem • gerippten Kühlkörper, mit Nut zur Befestigung der Montage-Platte • einem Verbindungsstück (VS) mit innen liegendem Förderkanal und 2 Gewinde-Enden • dem Heizblock • und einer Düse (13) An sF treffen Verbindungsstück und Düse aufeinander, diese muß unter Druck und Temperatur dicht sein, um das Austreten von flüssigem Druckmaterial zu vermeiden. Das Verbindungsstück ist aus einem Stück gedreht. Die Wandstärke der dünnsten Wandung (bei dW) bestimmt die Menge an Wärme, die vom Heizblock nach Oben geleitet wird und ist entscheidend für den Temperatur-Verlauf und die Eignung, das Hotend für verschiedene Material-Typen zu verwenden. Je dickwandiger, desto länger der Aufwärm-Bereich (Fig. 6/melt zones), was nachteilig für, in einem breiten Temperatur-Bereich oder amorph aufschmelzende Filamente ist. Zum Wechseln der Düse muß diese nur herausgeschraubt werden.
  Fig. 2 rechts	Das Wechseln des Heizkörpers erfolgt aufwendig durch Herausdrehen aus dem Verbindungsstück VS, bei vorheriger Demontage der Heiz-Körper-Kabel.
  Fig. 3	Ganz-Metall-3D Druckkopf nach erfindungsgemäßer Bauart im Funktionszustand.
  Fig. 4	wie Fig. 3.; jedoch ist die umfassende Schelle des teilbaren Kühlkörpers K2 geöffnet (Schrauben gelockert, Mutter entfernt) Die Heizkörperschelle ebenso gelockert, die Einheit: DFK, Düse mit Förderkanal kann nach unten entnommen werden. Oberer Teil des Kühlkörpers und Montage-Platte müssen nicht bewegt werden.
  Fig. 5	Der teilbare Kühlkörper, hier mit rechteckigem Querschnitt in der Draufsicht. In Fig. 4 rund dargestellt. Der rechteckige Querschnitt ist besser zur Befestigung eines Lüfters geeignet und als Strangprofil ablängbar erhältlich. Ein rundes Profil hingegen muß gedreht werden und ist erheblich teurer.
  Fig. 6 rechts	schematische Darstellung des Temperaturverlaufes eines Verbrauchs-Materiales entlang der Höhe h, bei verschieden Längen der Düse/DMS/DSS, sowie vergleichsweise einer Düse und dem Verbindungsstück VS der Bauart E3D (links in der Fig. 6)
  links	die Anordnung des erfindungsgemäßes hotends mit einer • langen Version des Düsenteiles DMS des DFK und einer • kurzen Version des Düsenteiles > DSS Die Graphen: S- bei Düse DSS M- bei Düse DMS E- bei Düse E3D Die senkrechten Balken, beschriftet mit „melt zones” stellen stilisiert und vereinfacht die Länge der Ausdehnung einer Schmelze im jeweiligen Förderkanal dar. Je kürzer, desto geringer die Blockade-Gefahr durch unüberwindbare Reibung der Schmelze im Förder-Kanal.
  Fig. 7 links	Ganz-Metall-3D Druckkopf erfindungsgemäßer Bauart: links, Darstellung ohne Schrauben zur Klemmung der Bauteile an die zentral liegende DFK, rechts mit Anordnung der Schrauben • mit 2 Heizblöcken (HB) • 2 Kühlstrecken • einer Druckmessvorrichtung (PS)

  Fig. 8 Varianten der Einheit DFK
  DK2	Düse, in welche das Förderröhrchen (Kanal) eingesetzt wird, DK1 entsteht,
  DK1	Einheit: DFK Die beiden Teile werden für den Verwender des 3D-Druckers sinnvollerweise fest miteinander verbunden, durch Lötung oder Schrumpfpassung, somit ist Dichtheit gegen inneren Überdruck gewährleistet. Düsenteil dargestellt im Querschnitt.
  DLL	Einheit: DFK • mit L = langem Düsekörper; • langem Förder-Kanal, bis Höhe D5, also bis zum Förderrad, siehe Fig. 6,
  DLS	wie DLL, nur mit S = kurzem Düsenkörper
  DML	wie DLL, nur mit Förder-Kanal, der bis zur Oberkante des gesamten Druckkopfes/hotends reicht; bis D4, siehe Fig. 6,
  DMS	wie DML, nur mit S = kurzem Düsenkörper
  DSS	sehr kurze Einheit DFK, mit langem Düsen-Körper
  DWML	Einheit DFK, mit Gewinde zur Befestigung am Heizkörper, langer Düsen-Körper, Variante: Innendurchmesser = 2.1 mm, bei gleichem Außendurchmesser
  DWMS	Einheit DFK, mit Gewinde zur Befestigung am Heizkörper, kurzer Düsen-Körper, Variante: Innendurchmesser = 1.9 mm, bei gleichem Außendurchmesser
  DWWM	Einheit DFK, mit 2 Gewinden, zur Befestigung am Heizkörper, als auch am Kühlkörper, kurzer Düsen-Körper
  DK3	DFK, das Bauteil Düse befindet sich im Förderkanal (Fig. 14)
  D0–D1	kurze Bauhöhe der Düse des Bauteiles DFK
  D0–D2	große Bauhöhe der Düse
  D0–D3	kurze Bauhöhe des Gesamtbauteiles DFK, wobei D2–D3 mindestens mehr als 50% der Länge D0–D2 betragen soll, vorzugsweise mehr als 150%
  D0–D4	Bauhöhe des gesamten Hotends von der Düsenspitze bis Oberkante D4 (siehe Fig. 6)
  D0–D5	Hauhöhe DFK, wobei diese die Bauhöhe des gesamten Hotends überragt (um D5–D4), diese Bauhöhe stellt einen entscheidenden Vorteil dar: das Filament wird ab der Fördereinheit (Rolle oder Welle, etc) in einem durchgehenden Rohr geführt, wodurch es nicht brechen oder ausbeulen kann (besonders wichtig für weiche und brüchige Filamente, Zudem ist es möglich, in diese lange Version des DFK während eines Druckvorganges ein weiteres Stück Filament einzuführen, wenn der Vorrat beim Drucken aufgebraucht wurde.
  D0	Null der Bauhöhe, Material-Austritt,

  Fig. 8 h Höhen	Diagramm Temperatur-Verlauf, idealisiert, natürlich nicht so scharfkantig
  0–2	sehr kurze Schmelz-Zone, ideal für amorphe Materialien, die über einen großen Temperatur-Bereich erweichen, meist eine niedrigen Vivat-Werte (bsp unter 60° haben), jedoch bei oberhalb 180° gefördert werden,
  1–2	Heißeste Zone, für das zu fördernde Material, wegen direktem Kontakt und kürzester Entfernung zur Wärmequelle
  2–3	Zone in welcher bei der E3D Bauart, die Verbindungsstelle von Düse und Verbindungsröhrchen liegt,
  0–4	für DMS, Bereich annähernd gleicher Temperatur, im Innern wird bei entsprechender Heiz-Temperatur das Material völlig erweicht, bzw. geschmolzen sein, ideal für teil-kristalline Materialien, mit kurzem Erweichungs Temperatur-Bereich, z. B. ABS, mit dieser Düse-Förderkanal Kombination lassen sich hohe Druckgeschwindigkeiten erzielen, da über die Länge 0–4 viel Wärme entlang der Innenfläche eingetragen werden kann.
  4	Ende des Wirkbereiches des Heizkörpers bei Verwendung des Düsen-Typs DMS
  5	Beginn des Wirkbereiches des Kühlkörpers, der Wirkbereich ragt in Richtung 4, mit steigender Kühlwirkung des Lüfters, stärker hinein.
  6	spätestens hier sollte die Raumtemperatur (oder eine für das jeweilige Verbrauchs-Material unschädliche Temperatur) erreicht sein.
  4–5	Zone, die baulich durch Verwendung eines dünnen Materialquerschnittes des FK über die Kühlwirkung des Kühlers entscheidet und die Ausdehnung der „melt zone” bestimmt. Durch Verwendung verschieden langer Düsen in Kombination zur FK hat der Verwender des 3D-Druckers die Möglichkeit, zwischen optimaler Düse für amorphe oder kristalline Materialien zu wählen und diese schneller auszutauschen, als dies mit den vorgestellten Hotends bekannter Bauart möglich wäre.
  Fig. 9	Einheit: DFK Düse-Förder-Kanal; Variante: DWMS mit Gewinde zum Einschrauben in den Heizblock
  Fig. 10	schematisch, erfindungsgemäßes hotend zur Extrusion von pastenförmigen Materialien, diese werden im DFK temperiert, hier Darstellung der kolben-betriebenen Förderung einer Paste (Silikon, Gel, mineral-gefüllte Masse, Teig, 2K-Material, Honig, generell viskoses Material)
  Fig. 11	Erfindungsgemäßer Druckopf mit zwei DFK an einem Kühlblock befestigt, mit zwei Heizblöcken
  Fig. 12	erfindungsgemäßer Druckopf mit DFK in drei Versionen • mit einspannbarer Düse ohne gewinde • Düse mit Gewinde • Düse mit Gewinde und zusätzlichem Kühlkörper MK
  Fig. 13	Darstellung Länge des DFK Länge der Ausdehnung der wärmeübertragenden Kontaktfläche (WL) der Heiz-Einheit

  Fig. 14	Darstellung DFK, mit innerhalb des Förder-Kanales verbauter Düse, wodurch eine Verringerung der nötigen Wärmemenge zum Aufheizen resultiert.
  sF	Dichtfläche an Bauart E3D, diese kann bei Nutzung undicht werden, zudem nimmt das Gewinde des Verbindungsstückes VS große Wärmemenge auf, speichert diese, und leitet diese nach oben.
  dW	gedrehte Wandung mit ca. 1 mm Wandstärke, deshalb hoher Wärmeverlust in Richtung Kühlkörper
  DFK-L	Länge der Einheit DFK
  WL	ist die Ausdehnung der wärmeübertragenden Kontaktflächen-Länge der Heiz-Einheit
  M	abnehmbare Montage-Platte, (dient der Verbindung zum bsp. beweglichen Druckkopfschlitten)
  K	Kühlblock, Kühl-Lamellen
  K2	entfernbarer Teil des Kühlblockes
  F	fan, Lüfter
  D1	Lokalisierung der Stelle am Hotend, an welcher die Wärme des Heizkörpers auf die Kühlwirkung der Kühlkörper trifft. Diese sollte eine dünne Wandstärke möglichst deutlich unter 1,0 mm aufweisen,
  HK	Heizkartusche
  12	Düse, Ende des Förderkanales bei Bauform Prusa
  HB	Heizblock, Kartusche und Temperatursensor (nicht dargestellt) enthaltent,
  E-FK	Einheit aus Förderkanal mit Düse und Kühlblock (E-FK), Bauweise Prusa, die Düse ist hier eine Verjüngung des Förderkanales
  13	Düse, schraubbar (Stand der Technik)
  W	Gewinde
  PS	Sensor, vorzugsweise zur Messung des Druckes im Inneren des Förderkanales,
  MP-2	Entnahme Heizkörper
  ME-1	Entnahme, Ausdrehen der Düse
  ME-2	Entnahme Montage-Platte
  ME-3	Ausdrehen des Heizblockes
  ME-4	Ausdrehen des Verbindungsstückes mit innenliegendem Kanal
  MA-1	Montage Vorgang, Schließen, Zusammenbau mehrteiliger Kühlkörper, Klemmschraube festziehen, mittels MA-1 wir die Einheit DFK zwischen die Kühlkörper-Teile geklemmt.
  MA-2	Montage Vorgang, Öffnen, Entnahme der DFK, hier Entnahme nach Unten
  MH2	Öffnen Klemmschraube am Heizkörper
  MB2	Entnahme DFK,
  MM1	Montage (nicht für den Kunden vorgesehen) Förderkanal wird in Bauteil Düse eingepresst oder eingelötet
  H	Heiz-Element/Kartusche
  DWG	Wandstärke der Wandung (WDG) der Düse
  MK	Kühlelement, fest mit DFK verbunden

Claims (10)

1. 3D-Druckkopf/hotend, modulartig aufgebaut, zum Fördern von festen, flüssigen, gel-artigen, pastösen, per aktinischer Strahlung aushärtbaren oder thermoplastischen Verbrauchsmaterialien, gekennzeichnet dadurch, daß die Düse (Austrittsöffnung des Verbrauchsmaterials) mit dem Förderkanal fest oder lösbar zur Einheit Düse-Förderkanal (DFK) verbunden ist, an welcher a) wahlweise ein oder mehrere Heizkörper, b) ein oder mehrere Kühlkörper, c) wahlweise Sensoren, vorzugsweise für Temperatur und oder Druck per Klemm-, Spann- oder Schraubvorrichtung befestigt werden.
2. Einheit Düse-Förderkanal nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß diese an den Heizblock angeklemmt, angespannt oder angeschraubt wird oder aber mittels eines Gewindes in den Heizkörper-Block eingedreht wird.
3. Einheit Düse-Förderkanal nach Anspruch 1–2, gekennzeichnet dadurch, daß diese an den Kühlkörper angeklemmt, angespannt oder angeschraubt wird oder aber mittels eines Gewindes eingedreht wird.
4. Einheit Düse-Förderkanal nach Anspruch 1–3, gekennzeichnet dadurch, daß Düse und Förderkanal vorzugsweise per Schweißung oder Lötung fest miteinander verbunden oder mittels einer Passung lösbar zu einer Einheit verbunden sind.
5. Einheit Düse-Förderkanal nach Anspruch 1–4, gekennzeichnet dadurch, daß diese in ihren Förder-Kanal das Verbrauchsmaterial, vorzugsweise Materialien für das FDM-Verfahren, oder folgende Materialien: • ein aufschmelzbares Filament oder • Pasten, Teige, • Mineralmassen, wie z. B. Porzellan • ein Silikon, Gele, • eine härtbare Masse aus mit einander reagierenden Komponenten für den 3D-Druck aufnimmt.
6. 3D-Druckkopf nach Anspruch 1–5, gekennzeichnet dadurch, daß die Ausdehnung DFK-L der DFK, a) mehr als 1,5 mal, b) vorzugsweise 3–10 mal, c) in besonderen Fällen 10–30 mal länger ist, als die Ausdehnung (WL) der wärmeübertragenden Kontaktflächen-Länge der Heiz-Einheit, und die Wandstärke des Förderkanales über mindestens 5 mm seiner Länge, optimalerweise 0,20 mm bis 2,00 mm, vorzugsweise jedoch 0,3 mm bis 0,9 mm besonders bevorzugt 0,4 mm bis 0,6 mm beträgt.
7. 3D-Druckkopf nach Anspruch 1–6, gekennzeichnet dadurch, daß ein mehrteiliger Satz DFK mit unterschiedlichen Förder-Kanal-Innendurchmessern und oder unterschiedlichen Düsenlängen dem Kunden angeboten wird.
8. Kühlkörper eines 3D-Druckkopf nach Anspruch 1–7, gekennzeichnet dadurch, daß dieser aus mindestens 2 Teilen besteht, wobei wenigstens zwei Teile zur Befestigung der DFK an ihnen dienen und wahlweise ein weiteres Kühlteil, vorzugsweise mit geringerer Ausdehnung, an der DFK befestigt ist.
9. Einheit Düse-Förderkanal nach Anspruch 1–8, gekennzeichnet dadurch, daß die Wandstärke der Wandung (WDG) der Düse, an der Stelle des Wärmeübergangs von Heizköper zur Düse, mindestens das 1,1 fache, vorzugsweise das 2 fache der Wandstärke der Förder-Kanal-Wandung beträgt.
10. Einheit Düse-Förderkanal nach Anspruch 1–9, gekennzeichnet dadurch, daß sich das Bauteil Düse im Förderkanal befindet. (14)

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