DE102015217143A1

DE102015217143A1 - Durchführung, Düse und 3D-Drucker

Info

Publication number: DE102015217143A1
Application number: DE102015217143.4A
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Carlos Morra; Iason Vittorias; Wolfgang Zöls
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2017-03-09
Also published as: WO2017042157A1

Abstract

Bei der Durchführung ist deren Öffnungsquerschnitt mittels einer flexiblen Wandung gebildet, wobei der Öffnungsquerschnitt hydraulisch änderbar ist. Die Düse weist eine solche Durchführung auf. Der 3D-Drucker weist eine Werkstoffzufuhreinrichtung mit einer solchen Düse auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Durchführung, eine Düse und einen 3D-Drucker.
3D-Drucker, insbesondere solche für Schmelzschichtungsverfahren (englisch: Fused Deposition Modelling), weisen eine Düse mit einer Durchführung auf, mittels welcher aufgeschmolzener Kunststoff in der Art von Filamenten auf einer Bodenplatte schichtweise aufgetragen wird. Für die Düse ergeben sich zwei wichtige Randbedingungen: zum einen muss der Querschnitt der Durchführung der Düse möglichst klein sein, so dass feine Strukturen fertigbar sind. Zum anderen muss der Querschnitt der Durchführung der Düse hinreichend groß sein, um mittels entsprechenden Kunststoffdurchsatzes große Flächen und Volumina in vertretbarer Zeit füllen zu können.
Hierzu ist es bekannt, 3D-Drucker mit einer Düse mit einer Durchführung vorzusehen, bei welchen diese Durchführung auf zwei unterschiedliche Querschnitte der Durchführung stellbar ist (Brooks, Hadley and Rennie, Allan and Abram, Thomas and McGovern, Jim and Caron, Francois (2011) "Variable Fused Deposition Modelling – Concept Design and Tool Path Generation" in: „Rapid Design, Prototyping and Manufacturing", Seiten 113–122. ISBN 978-0-9566643-1-0).
Jedoch kann auch bei diesen 3D-Druckern lediglich zwischen zwei Querschnitten der Durchführung der Düse gewählt werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Durchführung, eine Düse und einen 3D-Drucker anzugeben, bei welchem der Querschnitt der Durchführung besser einstellbar ist. Insbesondere sollen mittels des 3D-Druckers sowohl großvolumige oder großflächige als auch äußerst feine Strukturen fertigbar sein.
Diese Aufgabe wird mit einer Durchführung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, mit einer Düse mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen sowie mit einem 3D-Drucker mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Bei der erfindungsgemäßen Durchführung ist der Öffnungsquerschnitt mittels einer flexiblen Wandung gebildet, wobei der Öffnungsquerschnitt hydraulisch änderbar ist.
Mittels der hydraulischen Änderbarkeit des Öffnungsquerschnitts lässt sich der Öffnungsquerschnitt besonders präzise einstellen. Insbesondere lässt sich mit der erfindungsgemäßen Durchführung der Öffnungsquerschnitt kontinuierlich einstellen und nicht lediglich, wie etwa aus dem Stand der Technik bekannt, in zwei Öffnungsgrößen. Es versteht sich, dass, soweit vorliegend von einer Durchführung die Rede ist, stets eine Vorrichtung mit einem zur Durchführung geeigneten Kanal gemeint ist.
Zweckmäßigerweise ist bei der erfindungsgemäßen Durchführung der Öffnungsquerschnitt mittels hydraulischer Bewegung der flexiblen Wandung änderbar. Die flexible Wandung lässt sich hydraulisch besonders präzise bewegen.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Durchführung ist die flexible Wandung Teil einer Hydraulikkammer mit der Topologie eines Torus. Die Durchführung ist erfindungsgemäß mit der Torusdurchführung gebildet.
Geeigneterweise ist ein Innenumfang der Hydraulikkammer zumindest teilweise flexibel und der Außenumfang der Hydraulikkammer verglichen mit dem Innenumfang starr ausgebildet, etwa mit einer Wandung, die im Bereich des Außenumfangs starrer als eine Wandung am Innenumfang der Hydraulikkammer ist. Zweckmäßigerweise ist die flexible Wandung am Innenumfang der Hydraulikkammer angeordnet.
Geeigneterweise ist bei der erfindungsgemäßen Durchführung die hydraulische Beweglichkeit der flexiblen Wandung auf eine Beweglichkeit der Hydraulikkammer in Richtung der Durchführung zurückführbar.
Insbesondere ist bei der erfindungsgemäßen Durchführung die Hydraulikkammer in Richtung der Durchführung stauch- und oder streckbar. Geeigneterweise kann durch eine Bewegung der Hydraulikkammer, insbesondere durch Stauchen oder Strecken der Hydraulikkammer in Richtung einer durch die Durchführung hindurchführenden Achse, infolge der Inkompressibilität eines Hydraulikfluids eine flexible Wandung am Innenumfang des Torus radial in die Durchführung hineingequetscht werden oder aus dieser herausgezogen werden.
Die erfindungsgemäße Düse weist eine erfindungsgemäße Durchführung wie zuvor beschrieben auf. Vorteilhafterweise lässt sich somit auch eine erfindungsgemäße Düse mit einer solchen erfindungsgemäßen Durchführung hinsichtlich des Querschnitts der Durchführung dieser Düse genau einstellen. Zweckmäßigerweise weist die Düse einen Aktor, insbesondere einen Piezoaktor, und/oder eine Formgedächtnislegierung, auf. Dabei ist mittels des Aktors die Hydraulikkammer beweglich, insbesondere stauch- und/oder streckbar.
Der erfindungsgemäße 3D-Drucker weist eine Werkstoffzufuhreinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Düse wie zuvor beschrieben auf. Mittels des erfindungsgemäßen 3D-Druckers lassen sich auch großflächige oder großvolumige Strukturen aufgrund der erfindungsgemäßen Düse höchstpräzise fertigen. Ein 3D-Drucker mit einer solchen Düse lässt sich folglich zum einen effizient für große Strukturen betreiben, indem eine große Öffnung eingestellt wird, während hingegen eine kleine Öffnung der Durchführung für feine Strukturen gewählt wird. Insbesondere wird die Öffnung stets so groß gewählt, wie es die Strukturen des 3D-Druckers erfordern, etwa mit einer entsprechend ausgebildeten Steuerung oder Regelung. Auf diese Weise kann mit hinreichender Geschwindigkeit eine präzise Fertigung bewerkstelligt werden.
Vorteilhafterweise ist der erfindungsgemäße 3D-Drucker ein Schmelzschichtungsdrucker.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Durchführung einer erfindungsgemäßen Düse eines erfindungsgemäßen 3D-Druckers schematisch im Längsschnitt sowie
2 einen erfindungsgemäßen 3D-Drucker mit einer Düse mit einer erfindungsgemäßen Durchführung gemäß 1 schematisch in einer Prinzipskizze.
Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Durchführung 10 ist mittels einer flexiblen Wandung 20 gebildet. Dazu ist die Durchführung 10 mittels eines Durchgangslochs einer, zumindest topologisch, im Wesentlichen einem Torus ähnelnden Kammer 30 gebildet. Die durch die Durchführung hindurchtretende Symmetrieachse S der Kammer 30 wird im Folgenden auch axiale Achse genannt, während hingegen die dazu senkrechten Richtungen radiale Richtungen R genannt werden.
Die Kammer 30 ist entlang ihres Außenumfangs 40, welcher das Durchgangsloch des Torus umschließt, in radialer Richtung starr ausgebildet und weist die Form eines Reifens auf. Entlang ihres Innenumfangs 50 hingegen, welche das Durchgangsloch der Kammer 30 umgibt, ist die Kammer 30 mittels der flexiblen Wandung 20 gebildet, welche wulstförmig und im Vergleich zum Außenumfang 40 flexibel ausgebildet ist. In axialer Richtung ist die Kammer 30 zusammenpressbar ausgestaltet. Die Kammer 30 ist mit einer inkompressiblen Flüssigkeit, im gezeigten Ausführungsbeispiel Silikonöl, vollständig ausgefüllt. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann anstelle von Silikonöl eine sonstige inkompressible Flüssigkeit, beispielsweise Glitzerin, die Kammer 30 ausfüllen. Auf diese Weise bleibt das Volumen der Kammer 30 stets erhalten, auch wenn sich die Geometrie der Kammer 30 ändert.
Wird die Kammer 30 in axialer Richtung zusammengedrückt, so kann das Fluid aufgrund der Starrheit der Kammer 30 entlang des Außenumfangs 40 der Kammer 30 lediglich radial nach innen ausweichen. Die flexible Wandung 20 entlang des Innenumfangs 50 gibt dem Druck der Flüssigkeit entsprechend nach, so dass sich der Öffnungsquerschnitt des Innenumfangs 50 der Kammer 30 verringert.
Die Kammer 30 mit der Durchführung 10 ist, wie in 2 gezeigt, Bestandteil einer erfindungsgemäßen Düse 60 eines erfindungsgemäßen 3D-Druckers 70.
Die Düse 60 bildet das Endstück einer Kunststoffzuführung 80, welche Kunststoff – im dargestellten Ausführungsbeispiel etwa PLA oder beispielsweise ABS – für den 3D-Druck zuführt. Um die Kammer 30 zusammenzupressen ist stirnseitig, das heißt im axialer Richtung S, ein Piezoaktor an die Kammer 30 angelenkt, welcher in axialer Richtung S auslenkbar ist. Infolge der Auslenkung des Piezoaktors wird die Kammer 30 in axialer Richtung S zusammengedrückt oder aber entspannt.
Alternativ ist in einem weiteren, nicht eigens dargestellten, Ausführungsbeispiel anstelle des Piezoaktors ein Heizelement mit einstellbarer Temperatur vorhanden, wobei die Kammer 30 aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist. Mittels eine Temperaturänderung des Heizelements ist in diesem Ausführungsbeispiel die Kammer 30 zusammenlegbar oder entspannbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Brooks, Hadley and Rennie, Allan and Abram, Thomas and McGovern, Jim and Caron, Francois (2011) "Variable Fused Deposition Modelling – Concept Design and Tool Path Generation" in: „Rapid Design, Prototyping and Manufacturing“, Seiten 113–122. ISBN 978-0-9566643-1-0 [0003]

Claims

Durchführung, deren Öffnungsquerschnitt mittels einer flexiblen Wandung (20) gebildet ist, wobei der Öffnungsquerschnitt hydraulisch änderbar ist.
Durchführung nach Anspruch 1, bei welcher der Öffnungsquerschnitt mittels hydraulischer Beweglichkeit der flexiblen Wandlung (20) änderbar ist.
Durchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die flexible Wandung (20) Teil einer Hydraulikkammer (30) mit zumindest der Topologie eines Torus ist und die Durchführung (10) mit einer Torusdurchführung gebildet ist.
Durchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein Innenumfang (50) der Hydraulikkammer (30) zumindest teilweise flexibel und ein Außenumfang (40) der Hydraulikkammer (30) verglichen mit dem Innenumfang (50) starrer ist.
Durchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die hydraulische Beweglichkeit der flexiblen Wandung (20) auf eine Beweglichkeit der Hydraulikkammer (30) in Richtung der Durchführung (10) zurückführbar ist.
Durchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Hydraulikkammer (30) in Richtung der Durchführung (10) stauch- und/oder streckbar ist.
Düse mit einer Durchführung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Düse mit einem Aktor, insbesondere einem Piezoaktor, und/oder einer Formgedächtnislegierung, bei welcher mittels des Aktors die Hydraulikkammer (30) beweglich, insbesondere stauch- und/oder streckbar, ist.
3D-Drucker mit einer Werkstoffzufuhreinrichtung mit einer Düse (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
3D-Drucker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher ein Schmelzschichtungsdrucker ist.