DE102017119364A1 - Method and device for layered application of a plastic melt - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (1) zum schichtweisen Auftragen einer Kunststoffschmelze (2), zumindest umfassend mindestens eine Düse (3), die an mindestens einem Zulauf (4) für die Kunststoffschmelze (2) angeordnet und für die Kunststoffschmelze (2) durchströmbar ist, wobei die mindestens eine Düse (3) zumindest einen Auslass (5) mit einer Auslassweite (6) aufweist, der mit mindestens einer Verstelleinrichtung (7) der Düse (3) zwischen einem Minimum und einem Maximum vielstufig oder kontinuierlich verstellbar ist. Weiterhin werden Verfahren zur Herstellung von thermoplastischen Bauteilen mit einer solchen Vorrichtung angegeben. Device (1) for the layered application of a plastic melt (2), comprising at least one nozzle (3) which is arranged on at least one inlet (4) for the plastic melt (2) and for the plastic melt (2) can be flowed through, wherein the at least a nozzle (3) has at least one outlet (5) with an outlet width (6) which is adjustable in a multistage or continuous manner between at least one adjusting device (7) of the nozzle (3) between a minimum and a maximum. Furthermore, methods for the production of thermoplastic components are specified with such a device.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum schichtweisen Auftragen einer Kunststoffschmelze, insbesondere zur Erzeugung eines thermoplastischen Bauteils.The invention relates to a device and a method for the layered application of a plastic melt, in particular for producing a thermoplastic component.
In diversen technischen Bereichen haben mittlerweile additive Fertigungsverfahren zur Herstellung von vorbestimmen Bauteilen Einzug gehalten. Hierbei ist insbesondere der 3D-Druck herauszustellen. Die alternativen Fertigungsverfahren umfassen einen Prozess, wonach die Konstruktionsdaten für das Bauteil digital, in Form von 3D-Konstruktionsdaten, vorgegeben werden. Eine Apparatur baut dann das Bauteil gemäß diesen 3D-Konstruktionsdaten durch Ablagern von Material schichtweise auf. Je nach Anwendungsgebiet können hier unterschiedliche Ausgangsmaterialien für den Schichtaufbau ausgewählt werden, beispielsweise auch Metalle und/oder Kunststoffe und/oder Verbundwerkstoffe.In various technical areas, additive manufacturing processes for the manufacture of predefined components have meanwhile taken hold. Here, in particular, the 3D printing is highlighted. The alternative manufacturing methods include a process whereby the design data for the part is given digitally in the form of 3D design data. An apparatus then builds the component in layers according to this 3D design data by depositing material. Depending on the field of application, different starting materials for the layer structure can be selected here, for example also metals and / or plastics and / or composite materials.
Offensichtlich ist, dass ein solcher schichtweiser Aufbau eines Bauteils Zeit benötigt. Weiter ist zu berücksichtigen, dass die Anhebung der Aufbaugeschwindigkeit für die Schichten unter Umständen eine Verschlechterung der Detailabbildungsfähigkeit zur Folge hat. Das bedeutet beispielsweise, dass mit zunehmender Aufbaugeschwindigkeit die Formgenauigkeit beziehungsweise Formtoleranzen für das herzustellende Bauteil nicht mehr eingehalten werden können. Zudem ist zu berücksichtigen, dass die für den Schichtaufbau benötigten Werkzeuge regelmäßig verfahren werden müssen, so dass hier auch Massenträgheiten, Vibration oder dergleichen zu einer Verschlechterung der Formgenauigkeit führen können.Obviously, such a layered construction of a component takes time. Further, it should be noted that increasing the build speed of the layers may result in a deterioration in detail imaging capability. This means, for example, that with increasing build speed, the dimensional accuracy or shape tolerances for the component to be produced can no longer be met. In addition, it should be noted that the tools required for the layer structure must be moved regularly, so that here also inertias, vibration or the like can lead to a deterioration of the dimensional accuracy.
Zur Erreichung einer besseren Oberflächengüte und/oder einer erhöhten Bauteilqualität wären dünne Schichtdicken wünschenswert. Allerdings nimmt beim Einsatz von geringen Schichtdicken zwangsläufig die Produktionszeit zu.To achieve a better surface quality and / or increased component quality, thin layer thicknesses would be desirable. However, when using low layer thicknesses inevitably increases the production time.
Die Senkung der Fertigungszeit bei gleichbleibender Qualität kann demnach als eine zentrale Herausforderung der additiven Fertigungsverfahren betrachtet werden. Dies gilt insbesondere im Bereich der Kunststoff-basierten additiven Fertigungsverfahren.The reduction of production time with consistent quality can therefore be regarded as a central challenge of additive manufacturing processes. This is especially true in the field of plastic-based additive manufacturing processes.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik erläuterten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll erreicht werden, dass bei derartigen additiven Fertigungsverfahren die Aufbaugeschwindigkeit und die Bauteilqualität besser aufeinander abgestimmt werden können. Zudem soll ein variablerer Einsatz solcher additiven Fertigungsverfahren erreicht werden, insbesondere bei Kunststoff-basierten additiven Fertigungsverfahren.On this basis, it is an object of the present invention, at least partially solve the problems explained with reference to the prior art. In particular, it should be achieved that in such additive manufacturing process, the body speed and component quality can be better coordinated. In addition, a variable use of such additive manufacturing processes is to be achieved, in particular in the case of plastic-based additive manufacturing processes.
Diese Aufgaben werden gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, insbesondere übergeordnete Baugruppen oder Betriebsverfahren, ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausführungsformen der Erfindung angeben. Die Beschreibung, insbesondere auch im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert diese technischen Merkmale und nennt weitere Ausführungsvarianten der Erfindung.These objects are achieved with the features of
Hierzu trägt eine Vorrichtung zum schichtweisen Auftragen einer Kunststoffschmelze bei, wie sie hier nachfolgend beschrieben ist. Die Vorrichtung umfasst zumindest eine Düse, die an mindestens einem Zulauf für die Kunststoffschmelze angeordnet und für die Kunststoffschmelze durchströmbar ist. Die mindestens eine Düse weist zumindest einen Auslass mit einer Auslassweite auf, der mit mindestens einer Verstelleinrichtung der Düse zwischen einem Minimum und einem Maximum vielstufig oder kontinuierlich verstellbar ist.To this end, a device contributes to the layered application of a plastic melt, as described below. The device comprises at least one nozzle, which is arranged on at least one inlet for the plastic melt and can be flowed through for the plastic melt. The at least one nozzle has at least one outlet with an outlet width which can be adjusted in a multistage or continuous manner between at least one adjusting device of the nozzle between a minimum and a maximum.
Bei der hier genannten Vorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Druckkopf eines 3D-Druckers handeln. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere Düsen aufweisen. Jede der Düsen kann mit mindestens einem Zulauf für eine Kunststoffschmelze ausgestattet sein. Üblicherweise wird ein Zulauf pro Düse ausreichend sein. Die gegebenenfalls in der Düse oder zuvor erhitzte Kunststoffschmelze kann die Düse zu vorgegebenen Zeitpunkten durchströmen. Hierzu weist die Düse mindestens einen, gegebenenfalls zentral angeordneten, Auslass auf. Durch den Auslass kann die Kunststoffschmelze aus der Düse ausströmen, eine Art (teilweise) kontinuierlichen Strang bilden und beispielsweise dann schichtweise abgelegt werden. Der Auslass hat eine Auslassweite. Die Auslassweite charakterisiert die (größte) Erstreckung des Auslasses (quer zur Strömungsrichtung der Kunststoffschmelze), der von der Kunststoffschmelze durchströmbar ist. Hat der Auslass beispielsweise eine zylindrische Form, kann die Auslassweite mit dem Durchmesser gleichgesetzt werden. Hat der Auslass eine eckige beziehungsweise polygonale Querschnittsform, kann unter der Auslassweite die maximale Entfernung zwischen gegenüberliegenden Punkten dieses Querschnitts betrachtet werden.The device mentioned here may, for example, be a print head of a 3D printer. The device may include one or more nozzles. Each of the nozzles can be equipped with at least one inlet for a plastic melt. Usually one feed per nozzle will be sufficient. The optionally in the nozzle or previously heated plastic melt can flow through the nozzle at predetermined times. For this purpose, the nozzle has at least one, possibly centrally arranged, outlet. Through the outlet, the plastic melt can flow out of the nozzle, forming a kind of (partially) continuous strand and, for example, then laid down in layers. The outlet has an outlet width. The outlet width characterizes the (largest) extension of the outlet (transverse to the flow direction of the plastic melt), which can be traversed by the plastic melt. If the outlet has, for example, a cylindrical shape, the outlet width can be equated with the diameter. If the outlet has an angular or polygonal cross-sectional shape, the maximum distance between opposite points of this cross-section can be considered below the outlet width.
Weiter hat nun die Düse mindestens eine Verstelleinrichtung, die die Auslassweite des Auslasses verstellen kann. Es ist möglich, dass jeder Düse eine einzelne Verstellvorrichtung zugeordnet ist. Es ist weiter möglich, dass, soweit mehrere Düsen vorgesehen sind, eine Verstelleinrichtung für mehrere beziehungsweise alle Düsen vorgesehen ist. Die Verstelleinrichtung kann an der Düse angeordnet und/oder in der Düse integriert sein. Die Verstelleinrichtung ist insbesondere einer spezifischen Düse beziehungsweise einer spezifischen Anzahl von Düsen zugeordnet. Die Verstelleinrichtung kann als separates Aggregat ausgeführt sein, welches in und/oder an einer Mündung des Auslasses positioniert ist. Die Verstelleinrichtung ist so eingerichtet, dass sie den Auslass derart beeinflussen kann, dass die Auslassweite variabel ist. Die Verstelleinrichtung kann die Auslassweite derart variieren, dass diese ausgehend von einem Minimumwert hin zu einem Maximumwert und wieder zurück vielstufig oder kontinuierlich veränderbar ist. Das Maximum der Auslassweite kann um ein Mehrfaches größer sein als das Minimum, z. B. um mindestens den Faktor 2,0 oder sogar mindestens den Faktor 3,5. Der Minimumwert der Auslassweite kann beispielsweise 0 Millimeter (vollständig geschlossen) betragen oder z. B. bis maximal 1,0 Millimeter betragen. Der Maximumwert der Auslassweite kann beispielsweise mindestens 1,2 Millimeter, 2,5 Millimeter oder 4 Millimeter betragen.Next, the nozzle now has at least one adjusting device, which can adjust the outlet of the outlet. It is possible that each nozzle is associated with a single adjustment device. It is further possible that, as far as a plurality of nozzles are provided, an adjusting device for several or all nozzles is provided. The adjusting device can be arranged on the nozzle and / or integrated in the nozzle. The adjusting device is in particular associated with a specific nozzle or a specific number of nozzles. The adjusting device can be designed as a separate unit, which is positioned in and / or at an orifice of the outlet. The adjusting device is set up so that it can influence the outlet in such a way that the outlet width is variable. The adjusting device can vary the outlet width in such a way that, starting from a minimum value, it is variable to a maximum value and then back again in a multistage or continuous manner. The maximum of the outlet width can be several times greater than the minimum, z. B. by at least a factor of 2.0 or even at least a factor of 3.5. The minimum value of the outlet width may be, for example, 0 millimeters (fully closed) or z. B. to a maximum of 1.0 millimeters. The maximum value of the outlet width can be for example at least 1.2 millimeters, 2.5 millimeters or 4 millimeters.
„Vielstufig“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Auslassweite auf eine Vielzahl von Zwischenwerten zwischen dem Minimumwert und dem Maximumwert einstellbar ist. Die Anzahl der Zwischenwerte liegt dabei bevorzugt größer 5 oder 10. „Kontinuierlich“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Verstelleinrichtung die Auslassweite auf im Wesentlichen jeden Wert zwischen Minimum und Maximum einstellen kann, insbesondere soweit sich dadurch anwendungsspezifische Unterschiede hinsichtlich des Ausströmverhaltens der Kunststoffschmelze und/oder der Mechanik zur Ansteuerung der Verstelleinrichtung ergeben. Die Verstelleinrichtung kann derart auf die Auslassweite einwirken, dass diese von außen und/oder von innen beeinflusst wird. So kann beispielsweise ein innerer und/oder ein äußerer Bereich des Auslasses teilweise verschlossen beziehungsweise erweitert werden."Multi-stage" in this context means that the outlet width is adjustable to a plurality of intermediate values between the minimum value and the maximum value. The number of intermediate values is preferably greater than 5 or 10. In this context, "continuous" means that the adjusting device can set the outlet width to essentially any value between minimum and maximum, in particular if this results in application-specific differences with regard to the outflow behavior of the plastic melt and / or the mechanics to control the adjustment revealed. The adjusting device can act on the outlet width in such a way that it is influenced from the outside and / or from the inside. For example, an inner and / or an outer region of the outlet can be partially closed or extended.
Die Verstelleinrichtung kann eine oder mehrere bewegliche und/oder (elastisch) verformbare Verstellelemente umfassen, die auf den Auslass beziehungsweise die aktuelle Auslassweite einwirken. Bewegliche Verstellelemente können Klappen, Laschen, konsusförmige Hülsen bzw. Ringe oder dergleichen sein, die zur Verstellung der Auslassweite zumindest teilweise bewegbar sind. Ein (elastisch) verformbares Verstellelement kann nach Art einer elastischen Hülse, einer Ringscheibe oder ähnlichem bereitgestellt sein, die komprimiert und/oder geweitet werden kann.The adjusting device may comprise one or more movable and / or (elastically) deformable adjusting elements, which act on the outlet or the current outlet width. Movable adjusting elements may be flaps, tabs, conical sleeves or rings or the like, which are at least partially movable for adjusting the outlet width. An (elastically) deformable adjusting element can be provided in the manner of an elastic sleeve, an annular disc or the like, which can be compressed and / or widened.
Die mindestens eine Verstelleinrichtung kann eine Blendenanordnung umfassen, mit der der Auslass der Düse teilweise abdeckbar ist. Hierbei ist bevorzugt, dass die Blendenanordnung eine Vielzahl zueinander abgestimmt beweglicher Lamellen umfasst.The at least one adjusting device may comprise a diaphragm arrangement, with which the outlet of the nozzle is partially coverable. It is preferred that the diaphragm arrangement comprises a plurality of mutually coordinated movable blades.
Die Blendenanordnung ist insbesondere so ausgeführt, dass diese (nur) ausgehend vom äußeren Umfang des Auslasses Umfangsbereiche abdeckt. Die Blendenanordnung ist insbesondere so ausgestaltet bzw. eingerichtet, dass diese den Auslass nicht vollständig verschließen kann. Die Blendenanordnung ist insbesondere im Bereich der Mündung der Düse angeordnet.The diaphragm arrangement is in particular designed such that it covers (only), starting from the outer circumference of the outlet peripheral regions. The diaphragm arrangement is in particular designed or set up so that it can not completely close the outlet. The diaphragm arrangement is arranged in particular in the region of the mouth of the nozzle.
Die Blendenanordnung kann ein Antriebsaggregat aufweisen, mit welchem eine Vielzahl von Lamellen, die im Umfangsbereich der Düse gelagert sein können, gleichzeitig beziehungsweise abgestimmt verschwenkt werden. Dabei bilden radial einwärts orientierte Abschnitte der Lamellen jeweils teilweise eine Blendenöffnung, die kleiner als der Querschnitt des Auslasses ist, wodurch insgesamt die Auslassweite reduziert werden kann.The diaphragm arrangement may have a drive unit, with which a plurality of fins, which may be mounted in the peripheral region of the nozzle, are pivoted simultaneously or in a coordinated manner. In each case, radially inwardly oriented sections of the lamellae each partially form an aperture which is smaller than the cross section of the outlet, as a result of which the overall outlet width can be reduced.
Es ist bevorzugt, dass der Auslass einen polygonalen Querschnitt aufweist. Ein solch polygonaler Querschnitt des Auslasses führt dazu, dass die Kanten am herzustellenden Bauteil schärfer und genauer abgebildet werden können. Damit ergibt sich insbesondere eine größere Flexibilität und Detailabbildungsgenauigkeit. Bevorzugt ist, dass der Querschnitt mindestens sechseckig oder sogar mindestens zwölfeckig gestaltet ist.It is preferable that the outlet has a polygonal cross section. Such a polygonal cross-section of the outlet means that the edges on the component to be produced can be sharper and more accurate. This results in particular a greater flexibility and detail accuracy. It is preferred that the cross-section is at least hexagonal or even at least dodecagonal.
Weiter wird eine Anordnung zur Herstellung eines thermoplastischen Bauteils vorgeschlagen, die zumindest Folgendes umfasst:
- - mindestens ein Reservoir für eine Kunststoffschmelze, das mit einem Zulauf einer Düse einer Vorrichtung der hier vorgeschlagenen Bauart verbunden ist,
- - eine Fördereinheit zur Förderung der Kunststoffschmelze hin zu der Düse,
- - einen Bewegungsapparat zum räumlichen Verfahren der mindestens einen Düse, eine Steuereinheit, eingerichtet zum abgestimmten Betrieb der Fördereinheit der mindestens einen Verstelleinrichtung und des Bewegungsapparats.
- at least one reservoir for a plastic melt, which is connected to an inlet of a nozzle of a device of the type proposed here,
- a conveyor unit for conveying the plastic melt towards the nozzle,
- a musculoskeletal system for spatially moving the at least one nozzle, a control unit, arranged for the coordinated operation of the conveying unit of the at least one adjusting device and the musculoskeletal system.
Die hier vorgeschlagene Anordnung kann beispielsweise nach Art eines 3D-Druckers für industrielle Anwendungen ausgestaltet sein. Das Reservoir kann nach Art eines Tanks, Behälters oder dergleichen ausgeführt sein. Dem Reservoir, dem Zulauf und/oder der Düse kann eine Heizeinrichtung zugeordnet sein, so dass gegebenenfalls eine Bevorratung von Kunststoffgranulat ermöglicht ist und über eine Heizeinrichtung das Kunststoffgranulat aufgeschmolzen und in einen fließfähigen Zustand überführt wird. Das Reservoir kann den Lagerbehälter für den Kunststoff und die Zuleitungen bis hin zur Düse umfassen.The arrangement proposed here can be designed, for example, in the manner of a 3D printer for industrial applications. The reservoir can be designed in the manner of a tank, container or the like. The reservoir, the inlet and / or the nozzle may be associated with a heater, so that optionally a storage of plastic granules is possible and melted by a heating device, the plastic granules and in a flowable state is transferred. The reservoir may comprise the storage container for the plastic and the supply lines up to the nozzle.
Die Fördereinheit zur Förderung der Kunststoffschmelze kann beispielsweise nach Art eines Schneckenextruders, einer Förderpumpe oder dergleichen ausgeführt sein. Ebenfalls können hier Ventile umfasst sein, die einen zeitlich und/oder räumlich vordefinierten Strömungspfad für die Kunststoffschmelze hin zur einer beziehungsweise mehreren Düsen realisieren.The conveying unit for conveying the plastic melt can be designed, for example, in the manner of a screw extruder, a feed pump or the like. Valves may also be included here which realize a temporally and / or spatially predefined flow path for the plastic melt towards the one or more nozzles.
Der Bewegungsapparat kann so eingerichtet sein, dass er die Düse und/oder noch angrenzende Komponenten, insbesondere auch die Verstelleinrichtung, räumlich verfahren kann. Hierbei ist der Bewegungsapparat zumindest so eingerichtet, dass er vordefinierte Verfahrwege in einer räumlichen Ebene realisiert, so dass beispielsweise Antriebskomponenten verfügbar sind, die eine Bewegung in einem senkrechten Koordinatensystem erlauben. Es ist ebenfalls möglich, dass der Bewegungsapparat zusätzlich noch eine dritte Dimension erfasst. Das relative Verfahren der Düse senkrecht zu einer Unterlage, auf der das thermoplastische Bauteil erstellt werden soll, erlaubt die Positionierung der Kunststoffschmelze in einer Schicht. Zusätzlich kann der Bewegungsapparat noch eine Zustellung relativ zur Unterlage einstellen, so dass mit jeder Zustellung eine neue Schicht beginnt.The musculoskeletal system can be set up such that it can spatially displace the nozzle and / or still adjacent components, in particular also the adjusting device. Here, the musculoskeletal system is at least arranged so that it realizes predefined traversing paths in a spatial plane, so that, for example, drive components are available that allow movement in a vertical coordinate system. It is also possible that the musculoskeletal system additionally detects a third dimension. The relative movement of the nozzle perpendicular to a base on which the thermoplastic component is to be created, allows the positioning of the plastic melt in a layer. In addition, the musculoskeletal system can still set a delivery relative to the pad, so that each delivery begins a new shift.
Weiter ist die Steuereinheit vorgesehen, die insbesondere zur Aufnahme, Speicherung und/oder Verarbeitung von 3D-Konstruktionsdaten zur Herstellung des Bauteils eingerichtet ist. Die Steuereinheit ist datenleitend so mit der Fördereinheit, der Verstelleinrichtung und dem Bewegungsapparat verbunden, dass diese eine abgestimmte Betriebsweise ermöglicht. So kann beispielsweise die Bewegungsgeschwindigkeit, welche mit dem Bewegungsapparat eingestellt wird, von der Steuereinheit an eine hierzu passende Einstellung der Verstelleinrichtung und damit der Auslassweite der Düse angeglichen werden. Zusätzlich oder alternativ zu einer der beiden Betriebsvorgaben kann auch zu konkreten Zeitpunkten der Zustrom an Kunststoffschmelze hin zur Düse angepasst werden.Furthermore, the control unit is provided, which is set up in particular for receiving, storing and / or processing 3D design data for the production of the component. The control unit is data-conducting so connected to the conveyor unit, the adjustment and the musculoskeletal system that this allows a coordinated operation. Thus, for example, the movement speed which is set with the musculoskeletal system can be adjusted by the control unit to a setting of the adjusting device which is suitable for this purpose and thus to the outlet width of the nozzle. In addition or as an alternative to one of the two operational specifications, the inflow of plastic melt towards the nozzle can also be adapted at specific times.
Die Anordnung kann danach um eine Reihe weiterer Komponenten ergänzt werden, wie beispielsweise Sensorik (Tastschalter, Kameras, etc.), einer Düsen-Wechselstation, einer thermischen Behandlungseinheit etc., wobei diese zusätzlichen Komponenten gegebenenfalls ebenfalls mit der Steuereinheit datenleitend in Verbindung gebracht werden können und der abgestimmte Betrieb der Fördereinheit, der mindestens einen Verstelleinrichtung und/oder des Bewegungsapparats hierauf abgestimmt werden.The arrangement can then be supplemented by a number of other components, such as sensors (push button, cameras, etc.), a nozzle changing station, a thermal treatment unit, etc., where these additional components may also be associated with the control unit data leading and the coordinated operation of the conveyor unit, the at least one adjusting and / or the musculoskeletal system are tuned thereto.
Insbesondere wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Bauteils mit vorgeschlagen, wobei die hier erläuterte Anordnung zum Einsatz gelangt. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a. Bereitstellen einer Kunststoffschmelze,
- b. Bereitstellen eines Schichtmodells des Bauteils,
- c. Erzeugen mehrerer zumindest teilweise aufeinander aufbauender Schichten der Kunststoffschmelze auf einer Unterlage, wobei die Schichten zumindest teilweise mit verschiedener Auslassweite der Düse erzeugt werden,
- d. Verfestigen der Kunststoffschmelze.
- a. Providing a plastic melt,
- b. Providing a layered model of the component,
- c. Producing a plurality of at least partially mutually constituent layers of the plastic melt on a base, wherein the layers are generated at least partially with different outlet width of the nozzle,
- d. Solidifying the plastic melt.
Zunächst sei angemerkt, dass die Nummerierung der Verfahrensschritte keine Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte zwingend vorgibt. Es ist vielmehr möglich, dass die Schritte zumindest teilweise parallel beziehungsweise zeitlich überlappend oder in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden können. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass diese Verfahrensschritte mehrfach (einzeln und/oder in Kombination miteinander) wiederholt werden.It should first be noted that the numbering of the method steps does not necessarily dictate an order of the individual method steps. Rather, it is possible that the steps can be performed at least partially in parallel or temporally overlapping or in a different order. This applies in particular to the case where these method steps are repeated several times (individually and / or in combination with one another).
Schritt a. kann insbesondere umfassen, dass die Kunststoffschmelze aus einem Kunststoffgranulat erzeugt wird. Hierfür kann ein Kunststoffgranulat gegebenenfalls mit Zusatzstoffen vermengt werden. Neben einem Mischvorgang kann zusätzlich zuvor und/oder danach ein Erwärmungsprozess einsetzen, so dass der Kunststoff in Form einer Schmelze, also fließfähig, vorliegt. Dies kann in der hier vorgeschlagenen Anordnung oder auch extern erfolgen.Step a. may include, in particular, that the plastic melt is produced from a plastic granules. For this purpose, a plastic granulate may optionally be mixed with additives. In addition to a mixing process, a heating process may additionally be used beforehand and / or afterwards, so that the plastic is present in the form of a melt, that is, capable of flowing. This can be done in the arrangement proposed here or externally.
Das Schichtmodell des Bauteils kann insbesondere als Datensatz in elektronischer Form der Anordnung, nämlich insbesondere der Steuereinheit, zugeführt werden. The layer model of the component can be supplied in particular as a data record in electronic form of the arrangement, namely in particular the control unit.
Das Schichtmodell, welches insbesondere die 3D-Konstruktionsdaten umfasst, kann in der Steuereinheit gespeichert werden.The layer model, which in particular comprises the 3D design data, can be stored in the control unit.
Basierend auf diesem Schichtmodell wird dann gemäß Schritt c. ein Bauteil erzeugt, wobei mehrere zumindest teilweise aufeinander aufbauende Schichten der Kunststoffschmelze auf einer Unterlage erzeugt werden. Hiermit ist insbesondere ein adaptives Fertigungsverfahren angesprochen, insbesondere das sogenannte 3D-Drucken. Üblicherweise wird ein solches Bauteil, je nach Komplexität, mit einer Vielzahl von Schichten aufgebaut. Soweit Hinterschnitte, Vorsprünge oder dergleichen erforderlich sind, können die Schichten einander überragen, wobei üblicherweise die Schichten sich stets gegeneinander abstützen. Gemäß Schritt c. ist vorgesehen, dass einzelne Schichten komplett und/oder einzelne Schichten zumindest teilweise so erzeugt werden, dass dabei eine verschiedene Auslassweite der Düse eingestellt ist. Mit anderen Worten bedeutet das, dass während der Erzeugung einer Schicht beziehungsweise zwischen dem Erzeugen von mehreren Schichten die Verstelleinrichtung der Düse aktiviert wird, und damit die Auslassweite der Düse mindestens einmal, vorzugsweise mehrmals, zwischen dem Minimum und dem Maximum verstellt wird. Dies lässt sich unmittelbar an den erzeugten Schichten erkennen, weil dort eine jeweils veränderte Form des Kunststoffschmelzenstrangs erkennbar ist.Based on this layer model, step c. generates a component, wherein a plurality of at least partially mutually constituent layers of the plastic melt are produced on a substrate. This particularly addresses an adaptive production method, in particular so-called 3D printing. Usually, such a component, depending on the complexity, constructed with a plurality of layers. Insofar as undercuts, protrusions or the like are required, the layers can project beyond each other, wherein usually the layers are always supported against one another. According to step c. is provided that individual layers complete and / or individual layers are at least partially generated so that while a different outlet width of the nozzle is set. In other words, this means that during the production of a layer or between the generation of several layers, the adjustment of the nozzle is activated, and thus the outlet of the nozzle at least once, preferably several times, is adjusted between the minimum and the maximum. This can be recognized directly on the layers produced, because there is a respective changed shape of the plastic melt strand is recognizable.
Damit das thermoplastische Bauteil schließlich seine strukturelle Integrität beziehungsweise Stabilität erhält, erfolgt ein Verfestigen der Kunststoffschmelze. Dies kann beispielsweise über einen Aushärtungsprozess bei Raumtemperatur beziehungsweise Ausnutzung von Additiven erfolgen, es ist aber auch eine thermische Behandlung möglich.So that the thermoplastic component finally obtains its structural integrity or stability, solidification of the plastic melt takes place. This can be done for example via a curing process at room temperature or use of additives, but it is also a thermal treatment possible.
Die Herstellung eines thermoplastischen Bauteils kann insbesondere mittels eines FDM-Verfahrens oder eines FFF-Verfahrens erfolgen. „FDM“ steht hierbei für „Fused Deposition Modeling“. Hierbei wird Kunststoff erhitzt, bis er einen fast flüssigen Aggregatszustand erreicht und somit durch eine Düse gepresst werden kann. Der dabei entstehende, gegebenenfalls extrem feine Faden dient dann zur Erzeugung der einzelnen Schichten. „FFF“ steht für „Fused-Filament-Fabrication“, bei dem ebenfalls geschmolzener Kunststoff schichtweise zu einem Bauteil aufgebaut wird. Als Rohmaterial kommen hier beispielsweise ABS-Fäden (ABS : Acrylnitril-Butadien-Styrol) oder PLA-Fäden (PLA : Polylactat) zum Einsatz, die auf Spindeln aufgewickelt sind (Filamente). Diese Filamente werden mit einer heißen Düse in Kontakt gebracht, so dass sie dort geschmolzen und schichtweise aufgetragen werden können.The production of a thermoplastic component can be carried out in particular by means of an FDM process or an FFF process. "FDM" stands for "Fused Deposition Modeling". This plastic is heated until it reaches an almost liquid state of aggregation and thus can be pressed through a nozzle. The resulting, possibly extremely fine thread then serves to produce the individual layers. "FFF" stands for "fused filament fabrication" in which molten plastic is also built up layer by layer into a component. The raw materials used here are, for example, ABS filaments (ABS: acrylonitrile-butadiene-styrene) or PLA filaments (PLA: polylactate), which are wound on spindles (filaments). These filaments are brought into contact with a hot nozzle so that they can be melted and applied in layers.
Als Kunststoff kommt insbesondere zumindest einer der folgenden Thermoplaste zum Einsatz: Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polylatat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephtalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyvinylchlorid (PVC).The plastic used is in particular at least one of the following thermoplastics: acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), polyamides (PA), polylatate (PLA), polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE) , Polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyetheretherketone (PEEK) and polyvinyl chloride (PVC).
Insofern ist die Verwendung der hier beschriebenen Vorrichtung zum schichtweisen Auftragen einer Kunststoffschmelze zur Herstellung eines thermoplastischen Bauteils bevorzugt. Eine solche Verwendung eignet sich insbesondere dann, wenn die Herstellung des thermoplastischen Bauteils mittels eines FDM-Verfahrens oder eines FFF-Verfahrens erfolgt.In this respect, the use of the device described here for the layered application of a plastic melt for the production of a thermoplastic component is preferred. Such a use is particularly suitable when the production of the thermoplastic component takes place by means of an FDM process or an FFF process.
Mit der hier vorgeschlagenen Erfindung ist es möglich, verschieden große Schichtdicken zu erzeugen. Die hierfür vorgeschlagene Düse findet Einsatz insbesondere beim FDM- beziehungsweise FFF-Verfahren zum vektorbasierten schichtweisen Auftragen von Kunststoffschmelze zur Herstellung von thermoplastischen Bauteilen. Der Aufbau der Düse ist insbesondere derart, dass durch ein Blendensystem die Durchmesservariation für den ausströmenden Kunststoffschmelzfaden variiert und damit eine unterschiedliche Schichtdicke generiert werden kann. Die Verbindung von unterschiedlichen Schichtdicken mit einer Skin-Core-Strategie erhöht die Aufbaurate des Verfahrens bei gleichbleibender Qualität.With the invention proposed here it is possible to produce layer thicknesses of different thicknesses. The nozzle proposed for this purpose is used in particular in the FDM or FFF process for vector-based layer-by-layer application of plastic melt for the production of thermoplastic components. The structure of the nozzle is in particular such that varies by a diaphragm system, the diameter variation for the effluent plastic melt and thus a different layer thickness can be generated. The combination of different layer thicknesses with a skin core strategy increases the build-up rate of the process while maintaining the same quality.
Die vorliegende Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren schematischer Natur sind und den Gegenstand der Erfindung nicht beschränken sollen. Soweit in einer Figur mehrere technische Merkmale in Kombination gezeigt sind, können die technischen Merkmale einzeln extrahiert und mit anderen technischen Merkmalen der Beschreibung oder anderer Figuren kombiniert werden, soweit dies hier nicht explizit ausgeschlossen ist. Es zeigen:
-
1 : eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Herstellung eines thermoplastischen Bauteils, -
2 : eine Düse mit Verstelleinrichtung mit eingestellter maximaler Auslassweite, -
3 : eine Düse mit Verstelleinrichtung bei eingestellter minimaler Auslassweite, und -
4 : eine Draufsicht auf eine Ausgestaltungsvariante einer Verstelleinrichtung.
-
1 FIG. 2: a schematic representation of an arrangement for producing a thermoplastic component, FIG. -
2 a nozzle with adjusting device with set maximum outlet width, -
3 : a nozzle with adjusting device with the minimum outlet width set, and -
4 : A plan view of a design variant of an adjustment.
Für diesen Ablegeprozess weist die Vorrichtung eine Düse
Der Anordnung
Damit die Düse
Die Anordnung
Weiter ist noch eine Steuereinheit
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- KunststoffschmelzePlastic melt
- 33
- Düsejet
- 44
- ZulaufIntake
- 55
- Auslassoutlet
- 66
- AuslassweiteAuslassweite
- 77
- Verstelleinrichtungadjustment
- 88th
- Blendenanordnungdiaphragm arrangement
- 99
- Lamellelamella
- 1010
- Querschnittcross-section
- 1111
- Anordnungarrangement
- 1212
- Reservoirreservoir
- 1313
- Fördereinheitdelivery unit
- 1414
- Bewegungsapparatmusculoskeletal
- 1515
- Steuereinheitcontrol unit
- 1616
- Schichtlayer
- 1717
- Unterlagedocument
- 1818
- Datenleitungdata line
- 1919
- Antriebseinheitdrive unit
Claims (8)
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