DE102016012348A1

DE102016012348A1 - 3D-Drucker mit querschnittsveränderlicher Spritzdüse

Info

Publication number: DE102016012348A1
Application number: DE102016012348.6A
Authority: DE
Inventors: Julian Vossen
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2018-04-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen 3D-Drucker für die urformende Herstellung dreidimensionaler Werkstücke (300) im Schmelzschichtverfahren, bei dem das Werkstück (300) schichtweise aus einem flüssigen Kunststoff (200') aufgebaut wird, mit einem Druckkopf (100), der wenigstens eine Düse (130) zur Ausbringung des flüssigen Kunststoffs (200') aufweist, wobei der Austrittsquerschnitt (A) dieser Düse (130) veränderbar ist. Der 3D-Drucker wird bevorzugt für die Serienherstellung von Fahrzeugbauteilen verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft einen 3D-Drucker für die urformende Herstellung dreidimensionaler Werkstücke im Schmelzschichtverfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Beim Schmelzschichtverfahren wird das herzustellende Werkstück schichtweise aus Kunststoff aufgebaut. Das üblicherweise in Form von Filamenten (Kunststoffdrähten) bereitgestellte Kunststoffausgangsmaterial wird durch ein Heizelement, das typischerweise im Druckkopf angeordnet ist, gefördert und dabei aufgeschmolzen und dann über wenigstens eine Düse (Spritzdüse) des Druckkopfs auf das Werkstück aufgetragen bzw. extrudiert, wo der flüssige oder auch zähflüssige Kunststoff dann durch Abkühlung und/oder Aushärtung verfestigt. Als Kunststoffausgangsmaterial können prinzipiell auch bereits fließfähige und aushärtbare Mischungen (Harze) verwendet werden. Der Aufbau des Werkstücks erfolgt, indem wiederholend die einzelnen Arbeitsebenen zeilenweise abgefahren werden und dabei Kunststoffmaterial aufgetragen wird. Eine gängige Variante des Schmelzschichtverfahrens ist das MJM-Verfahren (Multi Jet Modeling).
Der zeilenweise Schichtaufbau beschränkt die Herstellgeschwindigkeit und die Akzeptanz von 3D-Druckern in der Serienfertigung.
Um die Wirtschaftlichkeit zu verbessern wird in der DE 10 2007 009 277 A1 eine schlitzförmige Spritzdüse vorgeschlagen, zur Extrusion von Kunststoffmischungen, insbesondere aus gefüllten oder ungefüllten reaktiven Thermoplasten oder Reaktionsharzen in flächigen Bahnen oder Streifenform, die eine Segmentierung der oberen Düsenkante und/oder der unteren Düsenkante aufweist, wobei die Segmente individuell auf verschiedene Höhen gegenüber der Mittellinie der Spritzdüse einstellbar sind, so dass die Spritzdüse auf verschiedene Dicken und ein in lateraler Ausdehnung variables Dickenprofil einstellbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit aufzuzeigen.
Dies gelingt mit einem erfindungsgemäßen 3D-Drucker mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen 3D-Druckers zur Serienherstellung, insbesondere für die Kleinserienherstellung, von Fahrzeugbauteilen. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Der erfindungsgemäße 3D-Drucker hat wenigstens einen Druckkopf mit wenigstens einer Düse (Spritzdüse) zur Ausbringung des flüssigen Kunststoffs. Bevorzugt weist der Druckkopf auch ein integriertes Heizelement zur Aufschmelzung zugeführter Filamente auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Austritts- bzw. Auslassquerschnitt der Austritts- bzw. Auslassöffnung der Düse, insbesondere während eines Druckvorgangs, variabel bzw. veränderbar ist. Der erfindungsgemäße 3D-Drucker hat quasi wenigstens eine querschnittsveränderliche Düse bzw. Spritzdüse. Bevorzugt ist der Austrittsquerschnitt der Düse stetig bzw. stufenlos veränderbar.
Damit ist die Herstellung eines Werkstücks bzw. Bauteils nicht mehr an einen festen bzw. konstanten Austrittsquerschnitt und eine damit vorgegebene feste Bahnbreite gebunden, sondern beim Auftragen des Kunststoffmaterials kann die Breite der aufgetragenen Bahn bedarfsgerecht angepasst werden und bspw. dort verbreitert werden, wo die Anforderungen an die Genauigkeit geringer sind (z. B. im Werkstückinneren) oder wo zusammenhängende Flächen zu erzeugen sind. Durch bedarfsgerechte Verkleinerung des Austrittsquerschnitts können die Genauigkeitsanforderungen an anderen Stellen des Werkstücks bzw. Bauteils aber trotzdem eingehalten werden. Durch einen vergrößerten Austrittsquerschnitt kann mehr flüssiger Kunststoff ausgebracht werden: Bei zusammenhängenden Flächen reduziert sich ferner durch Vergrößerung der Bahnbreite bzw. des Zeilenabstands die Anzahl der nebeneinander zu druckenden Bahnen. Somit kann, insbesondere für größere Werkstücke bzw. Bauteile, die Herstellungszeit erheblich verkürzt werden. Aufgrund der Bahn- bzw. Zeilenreduzierung können ferner auch Werkstück- bzw. Bauteiloberflächen in einer höheren Qualität, womit insbesondere glattere Oberflächen gemeint sind, hergestellt werden.
Die Düse kann eine verstellbare mechanische Blende aufweisen, mit welcher der Austrittsquerschnitt verstellbar ist, insbesondere stetig bzw. stufenlos verstellbar ist. Eine solche mechanische Blende ist insbesondere eine Lamellenblende, ähnlich wie bei einer Kamera, wobei die Lamellen nicht als dünne Bleche, sondern als sich in axialer Richtung der Austrittsöffnung erstreckende Lamellenkörper ausgebildet sind. Die Lamellenblende ist mit hoher Präzision und geringen Spaltmaßen gefertigt, um das Anhaften von Kunststoff zu verhindern. Die Lamellenkörper der Lamellenblende können außerdem auch eine Antihaftbeschichtung aufweisen, die das Anhaften von Kunststoff verhindert.
Der erfindungsgemäße Drucker kann wenigstens eine Heizeinrichtung aufweisen, mit der die mechanische Blende beheizbar ist, so dass einerseits der durch die Austrittsöffnung strömende Kunststoff nicht abkühlt und anderseits das Anhaften des Kunststoffs an der Blende erschwert wird. Durch die Beheizung wird ferner die Verstellbarkeit gewährleistet. Die Heizeinrichtung ist insbesondere in oder an der Düse angeordnet und bspw. als Ringheizung ausgebildet. Die Lamellenkörper sind bevorzugt aus einem besonders gut wärmeleitenden Werkstoff, bspw. Aluminium oder Kupfer, gebildet.
Der erfindungsgemäße Drucker kann ferner wenigstens einen Motor aufweisen, der die mechanische Blende, insbesondere stetig bzw. stufenlos, verstellen kann. Der Motor ist insbesondere in oder an der Düse angeordnet. Bevorzugt handelt es sich um einen Servomotor.
Der erfindungsgemäße Drucker kann ferner eine Steuereinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, während eines Druckvorgangs die Materialzufuhr, d. h. die Zuführung des Kunststoffs zur Düse (bspw. mithilfe einer Filamentzuführung) in Abhängigkeit vom (momentanen) Austrittsquerschnitt der Düse einzustellen. Um den oben beschriebenen Zeitvorteil zu erreichen, muss bei einem größer werdenden Austrittsquerschnitt mehr Kunststoff bzw. ein größerer Kunststoffvolumenstrom durch die Düse ausgebracht bzw. extrudiert werden, so dass mehr Kunststoffausgangsmaterial zur Düse gefördert werden muss. Dies kann von der Steuereinrichtung entsprechend gesteuert oder sogar geregelt werden.
Der erfindungsgemäße Drucker kann ferner wenigstens einen Sensor, insbesondere eine Kamera, zur Erfassung des Druckvorgangs bzw. der gedruckten Bahn, insbesondere in Echtzeit, aufweisen. Mithilfe einer entsprechend ausgebildeten Steuereinrichtung (s. o.) kann eine Regelung, insbesondere in Echtzeit, des Austrittsquerschnitts der Düse, der Materialzufuhr (Zuführung des Kunststoffs zur Düse) und/oder der Druckkopfposition erfolgen.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in der Zeichnung gezeigten oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden.

1 zeigt schematisch den Druckkopf eines erfindungsgemäßen 3D-Druckers.
2 zeigt zwei Schnittdarstellungen durch die Düse des Druckkopfs aus 1, gemäß dem in 1 angegebenen Schnittverlauf (B-B).

1 zeigt den Druckkopf 100 eines im Weiteren nicht dargestellten 3D-Druckers. Der Druckkopf 100 umfasst eine Filamentzuführung 110 für ein thermoplastisches Kunststoff-Filament 200, ein Heizelement 120, in dem das Filament200 aufgeschmolzen wird, und eine Düse bzw. Spritzdüse 130 mit einer Austrittsöffnung D, durch die der aufgeschmolzene Kunststoff 200' auf ein zu formendes Werkstück 300 aufgebracht wird, während der Druckkopf 100 relativ zum Werkstück 300 bewegt wird, wie mit dem Pfeil veranschaulicht. Dieser Vorgang ist als solcher aus dem Stand der Technik bekannt.
Erfindungsgemäß ist der Austrittsquerschnitt A der Düse 130 stetig veränderbar. Hierzu weist die Düse 130 eine verstellbare mechanische Blende 135 auf, die ähnlich einer Lamellenblende mit sich in axialer Richtung der Austrittsöffnung D erstreckenden Lamellenkörpern 136 ausgebildet ist. 2 zeigt die Lamellenblende 135 in einer schematischen Schnittdarstellung. Die Lammellenblende 135 hat annähernd einen rotationssymmetrischen Aufbau und die Austrittsöffnung D für die Kunststoffschmelze 200' hat näherungsweise eine kreisförmige Kontur. (Somit unterscheidet sich die Düse 130 und deren Funktionalität grundlegend von der in der DE 10 2007 009 277 A1 beschriebenen Schlitzdüse.) Die gezeigte Anzahl an Lamellenkörpern bzw. -gliedern 136 und deren Kontur ist nur beispielhaft. Mit 150 ist eine separate Heizeinrichtung zur Beheizung der Blende 135 bzw. deren Lamellenkörper 136 bezeichnet.
Mithilfe eines Motors 140 ist der Austrittsquerschnitt (A) der Austrittsöffnung D während des Druckvorgangs stufenlos verstellbar. So erhält man einen im Durchmesser variablen bzw. veränderlichen Kanal durch die Austrittsöffnung D. Die 2a und 2b zeigen unterschiedlich große Austrittsquerschnitte A1 und A2 (A2 > A1), so dass je nach dem ein kleinerer oder größerer Kunststoffschmelzestrom 200' durch die Düse 130 ausgebracht bzw. extrudiert werden kann. Gegebenenfalls muss die Zuführung von Kunststoff zur Düse 130 über die Filamentzuführung 110 angepasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007009277 A1 [0004, 0016]

Claims

3D-Drucker für die urformende Herstellung dreidimensionaler Werkstücke (300) im Schmelzschichtverfahren, bei dem das Werkstück (300) schichtweise aus einem flüssigen Kunststoff (200') aufgebaut wird, mit einem Druckkopf (100), der wenigstens eine Düse (130) zur Ausbringung des flüssigen Kunststoffs (200') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsquerschnitt (A) der Düse (130) veränderbar ist.
3D-Drucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsquerschnitt (A) der Düse (130) stetig veränderbar ist.
3D-Drucker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (130) eine verstellbare mechanische Blende (135) aufweist, mit welcher der Austrittsquerschnitt (A) verstellbar ist, insbesondere stetig verstellbar ist.
3D-Drucker nach Anspruch 3, ferner aufweisend eine Heizeinrichtung (150), mit der die mechanische Blende (135) beheizbar ist.
3D-Drucker nach Anspruch 3 oder 4 , ferner aufweisend einen Motor (140), zur Verstellung der mechanischen Blende (135).
3D-Drucker nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Blende (135) eine Lamellenblende ist.
3D-Drucker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenkörper (136) der Lamellenblende (135) eine Antihaftbeschichtung aufweisen.
3D-Drucker nach einem der vorausgehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Zuführung des Kunststoffs zur Düse (130) in Abhängigkeit vom Austrittsquerschnitt (A) der Düse (130) einzustellen.
3D-Drucker nach einem der vorausgehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Kamera zur Erfassung des Druckvorgangs.
Verwendung eines 3D-Druckers nach einem der vorausgehenden Ansprüche zur Serienherstellung von Fahrzeugbauteilen.