DE102015013216B4

DE102015013216B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Filament zur Zuführung zu einem FDM-Drucker

Info

Publication number: DE102015013216B4
Application number: DE102015013216.4A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2035-10-10
Also published as: DE102015013216A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Filament aus Granulat mittels Extrusion zur Zuführung zu einem FDM-Drucker, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung unter Verwendung von Sensorik (2) und unabhängig von einem digitalen oder anderweitigen Datenaustausch in bedarfssynchroner Produktion an den Bedarf oder den Verbrauch einer Weiterverarbeitung im FDM-Drucker gebunden ist, wobei die Sensorik den ermittelten Bedarf an Filament (3) an eine Steuerungselektronik weiterleitet, wodurch die Produktion und Produktionsgeschwindigkeit der Herstellung des Filaments gesteuert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von thermoplastischem Kunststoff- oder Verbundwerkstofffilament, das von FDM Druckern (3D Druck) weiterverarbeitet werden kann.
Es existieren bereits Geräte, um Filament aus Granulat zu produzieren, diese sind allerdings darauf ausgelegt, dass das produzierte Filament kontinuierlich auf einer Spule aufgewickelt wird. Hierdurch entstehen Zwischenschritte. Die befüllte Filament-spule muss gelagert und bei Bedarf an das Gerät angebracht werden. Sollen unterschiedliche Filamentarten, - Farben, etc. verwendet werden, müssen diese auf eigene Spulen gezogen und gelagert werden. Diese Spulen müssen als einzelne Zwischenschritte ausgetauscht werden, wenn ein Projekt den Wechsel von Filament benötigt. Die DE 10 2011 051 235 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung von spiralisierten Kunstofffäden nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, wohingegen die WO 2014/072147 A1 einen extrusionsbasierten 3D-Druck offenbart, bei dem der verwendete Polymerstrang vor dem Druckkopf beschichtet wird. Die DE 10 2013 000 015 A1 wiederum befasst sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei das Modelliermaterial in Stangenform bereitgestellt wird.
Das Ziel, das durch das Verfahren und die Vorrichtung erreicht werden soll, ist somit die Produktion von Filament (2) in genau der benötigten Menge, in der das Filament (2) erforderlich ist, sowie zu genau dem Zeitpunkt, zu dem das Filament (2) erforderlich ist, um einen unterbrechungsfreien Druck zu ermöglichen. Dieses Ziel wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4 erreicht. Auf die Weise wird sichergestellt, dass von dem Filament(2) nicht zu viel produziert wird, um so eine Überproduktion zu verhindern und Qualitätsschwankungen zu vermeiden. Außerdem wird eine Unterproduktion vermieden, da die Weiterverarbeitung sonst gefährdet ist, oder zumindest verzögert wird. Diese Zielsetzung wird mit den Begriffen just-in-time, oder auch bedarfssynchrone Produktion beschrieben. Dieses Prinzip erfordert einen Produktions- und Materialfluss im richtigen Verhältnis zur Weiterverarbeitung. Das Ergebnis zeichnet sich dadurch aus, dass der Gesamtprozess schlanker, die Durchlaufzeiten reduziert und eine Lagerung überflüssig wird. Damit soll der Gesamtprozess im Ergebnis kostengünstiger, sowie für den Anwender komfortabler werden.
Zur Herstellung des Filaments wird üblicherweise Kunststoffgranulat über eine Förderschnecke durch ein Heizelement geleitet. Anschließend wird der aufgeschmolzene Kunststoff durch eine Düse gepresst, um die erforderliche Dicke des Filaments zu erhalten. Dieser Aufbau wird häufig als Filamentextruder(1) bezeichnet.
Zur Sicherstellung von ausreichend im Vorfeld produziertem Filament(2) ist keine digitale oder anderweitige Datenübertragung notwendig. Das Verfahren schließt die Verwendung von Sensorik(3) mit ein, die den Verbrauch des Materials überwacht. Bei diesen Sensoren(3) kann es sich zum Beispiel, aber nicht ausschließlich um einen Temperatur-, Licht-, Laser-, magnetischen, elektrischen, elektromagnetischen, mechanischen, oder chemischen Sensor(3) handeln.
Diese in Abschnitt [0004] aufgeführten Sensoren(3) können beispielsweise messen, ob das Filament(2) von einem geplanten Verlaufsweg abweicht, um so Rückschlüsse auf den Verbrauch zu ziehen. Hierzu wird beispielsweise mittels eines Infrarotsensors gemessen, ob das Filament bedingt durch die Erdbeschleunigung einen bestimmten räumlichen Punkt unterschreitet, oder bedingt durch den Einzug des Druckers einen bestimmten räumlichen Punkt überschreitet. Durch das Auslesen der Sensoren(3) kann die benötigte Motorgeschwindigkeit ermittelt werden.
Die Messergebnisse der Sensorik(3) werden an eine Steuerungselektronik weitergegeben. Diese bestimmt die benötigte Produktionsmenge, sowie -Geschwindigkeit, um sicherzustellen, dass genau die benötigte Menge von Filament(2) produziert wird. Zu wenig Produktion kann zu einer Unterbrechung oder gar einem Abbruch der Produktion führen, wohingegen zu viel Filament(2) beispielsweise ein Verheddern, Verkleben, oder eine Verformung des Filaments nach sich ziehen könnte.
Um die Verwendung mit handelsüblichen 3D-Druckern zu vereinfachen kann ein Gerät, das das beschriebene Verfahren verwendet, so ausgelegt werden, dass es durch Form und Größe direkt an dem Drucker angebracht werden kann, beispielsweise an die Stelle, an der häufig eine Vorratsspule für Filament(2) angebracht wird.
Da ein Filament(2) zur Verarbeitung mit einem FDM Drucker nicht aus reinem, oder einem bestimmten Kunststoff bestehen muss, sondern auch aus verschiedenen Kunststoffarten, beziehungsweise Verbundstoffe aus beispielsweise Kunststoff und Holz sein können, beschränkt sich das patentierte Verfahren nicht auf einen bestimmten Werkstoff.
Beispiel 1
Wird das durch einen Filamentextruder(1) produzierte Filament(2) in einen FDM Drucker eingezogen und dieser beginnt mit dem Druckprozess, zieht der 3D-Drucker bedarfsgerecht Filament(2) ein. Durch die bedarfssynchrone Produktionssteuerung wird kontinuierlich nur die Menge produziert, die tatsächlich von dem Drucker benötigt wird. Dazu wird das extrudierte Material von zwei übereinander angebrachten (bspw. Thermo-Infrarot)sensoren(3) erfasst und dessen Lage bestimmt. Das Filament(2) wird durch die Erdbeschleunigung nach unten gezogen, wodurch der Rückschluss möglich ist, das bei Anschlagen des oberen Sensors die Momentangeschwindigkeit des Filamentextruders(1) zu gering ist und daher gesteigert werden muss. Gegensätzlich dazu bedeutet ein Anschlagen des unteren Sensors, dass der Drucker das Filament(2) schneller verbraucht, als es produziert wird und die Extrusionsgeschwindigkeit erhöht werden muss. Wird resultierend aus den Sensorergebnissen kein Material benötigt, so wird die Geschwindigkeit des Extrudermotors bis zum Stillstand reguliert. Ist der aktuelle Bedarf jedoch sehr hoch, so steigt die Geschwindigkeit des Extrudermotors bis zur gegebenen Maximalgeschwindigkeit an.
Beispiel 2
Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet besteht in der Filamentproduktion zum Aufspulen auf einer Filamentspule zur späteren Lagerung. Hierbei wird bei vielen üblichen Aufspulvorrichtungen eine feste Motor- und damit Winkelgeschwindigkeit verwendet. Da das Filament(2) auf der Rolle aufgespult wird, wird der effektive Radius der Spule beständig größer. Da sich bei gleicher Winkelgeschwindigkeit und wachsendem Radius der effektiv aufgespulte Weg pro Zeit erhöht, muss die Extrusionsgeschwindigkeit angepasst werden können, um dennoch eine gleichmäßige Aufwicklung sicherzustellen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Filament aus Granulat mittels Extrusion zur Zuführung zu einem FDM-Drucker, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung unter Verwendung von Sensorik (2) und unabhängig von einem digitalen oder anderweitigen Datenaustausch in bedarfssynchroner Produktion an den Bedarf oder den Verbrauch einer Weiterverarbeitung im FDM-Drucker gebunden ist, wobei die Sensorik den ermittelten Bedarf an Filament (3) an eine Steuerungselektronik weiterleitet, wodurch die Produktion und Produktionsgeschwindigkeit der Herstellung des Filaments gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, welches einen oder mehrere Sensoren (2) verwendet, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Temperatur-, Licht-, Laser-, magnetischen, elektrischen, elektromagnetischen, mechanischen, oder chemischen Sensor, oder eine Kombination aus diesen, verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Filament (2) aus thermoplastischen Kunststoff oder Verbundwerkstoff produziert wird.
Vorrichtung zur Herstellung von Filament aus Granulat mittels Extrusion zur Zuführung zu einem FDM-Drucker, umfassend einen Filamentextruder, gekennzeichnet durch eine Sensorik (2), welche dazu eingerichtet ist, die bedarfssynchrone Herstellung des Filaments unabhängig von einem digitalen oder anderweitigen Datenaustausch mit dem FDM-Drucker zu halten.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung nach Form, Größe, sowie Gewicht dazu geeignet ist, direkt an einem weiterverarbeitenden Gerät angebracht zu werden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät sich maßgeblich nach dem Formfaktor einer handelsüblichen Filamentrolle, wie sie bei 750g Filament, 1kg Filament, oder 3kg Filament verwendet wird, richtet.