DE102017124352A1 - Plant, printhead and method for producing three-dimensional structures - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Herstellen von dreidimensionalen Strukturen, die zwei oder mehr unterschiedliche Werkstoffe aufweisen, mit einem 3D-Druckkopf, der eine erste Materialzuführung zum Zuführen eines quasiendlosen Fasermaterials und wenigstens eine zweite Materialzuführung zum Zuführen eines thermoplastischen Matrixmaterials hat, die in einer gemeinsamen Mischkammer des Druckkopfes münden, wobei die Mischkammer des 3D-Druckkopfes zum Temperieren des der Mischkammer zugeführten Matrixmaterials und zum Bilden einer Materialmischung aus dem Fasermaterial und dem Matrixmaterial ausgebildet ist, wobei die Mischkammer mit einem Auslass des 3D-Druckkopfes kommunizierend in Verbindung steht, der zum Ausgeben der gebildeten Materialmischung eingerichtet ist, um die dreidimensionale Struktur herzustellen, wobei die erste Materialzuführung einen Zuführkanal hat, der in der Mischkammer mündet und axial zu dem Auslass derart angeordnet ist, dass ein quasiendloses Fasermaterial von dem Zuführkanal der ersten Materialzuführung durch die Mischkammer und dem Auslass hindurchführbar ist, und wobei die Anlage eine Steuerungseinheit hat, die zum Steuern der Materialzuführung des quasiendlosen Fasermaterials und/oder des thermoplastischen Matrixmaterials eingerichtet ist, wobei die wenigstens zweite Materialzuführung drei oder mehr Zuführkanäle aufweist, die um einen axialen Verlauf des Zuführkanals der ersten Materialzuführung herum angeordnet sind und in der Mischkammer münden. The invention relates to a system for producing three-dimensional structures comprising two or more different materials, comprising a 3D print head having a first material feed for feeding a quasi-fiber-less fiber material and at least a second material feed for feeding a thermoplastic matrix material in a common The mixing chamber of the print head open, wherein the mixing chamber of the 3D print head for tempering the mixing material supplied to the mixing chamber and for forming a material mixture of the fiber material and the matrix material is formed, wherein the mixing chamber communicates with an outlet of the 3D print head communicating, the Dispensing of the formed material mixture is adapted to produce the three-dimensional structure, wherein the first material supply has a feed channel, which opens into the mixing chamber and is arranged axially to the outlet such that a quasi-filament without and the plant has a control unit arranged to control the material supply of the quasi-non-fibrous material and / or the thermoplastic matrix material, the at least second material supply having three or more feed channels which are arranged around an axial course of the feed channel of the first material supply around and open in the mixing chamber.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Herstellen von dreidimensionalen Strukturen, die zwei oder mehr unterschiedliche Werkstoffe aufweisen. Die Erfindung betrifft ebenso einen 3D-Druckkopf hierzu sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen dreidimensionalen Struktur mithilfe der erfindungsgemäßen Anlage.The invention relates to a plant for producing three-dimensional structures comprising two or more different materials. The invention also relates to a 3D printing head for this purpose and to a method for producing such a three-dimensional structure by means of the installation according to the invention.
Mithilfe von generativen Verfahren lassen sich unter Verwendung eines entsprechenden Werkstoffes Bauteile mit einer fast beliebigen Form herstellen. Der 3D-Druck mithilfe eines 3D-Druckers stellt dabei einen sehr bekannten Vertreter der generativen Fertigungsverfahren dar. Dabei wird mithilfe eines 3D-Druckers schichtweise ein schmelzbarer Werkstoff, beispielsweise ein thermoplastischer Kunststoff, gedruckt, wodurch sich am Ende des Verfahrens ein dreidimensionales Bauteil bzw. eine dreidimensionale Struktur ergibt.Generative methods can be used to produce components of almost any shape using a suitable material. 3D printing using a 3D printer represents a very well-known representative of additive manufacturing processes. In this process, a fusible material, for example a thermoplastic material, is printed in layers by means of a 3D printer, whereby at the end of the process a three-dimensional component or gives a three-dimensional structure.
Die Steifigkeit und Festigkeit eines auf dieser Basis hergestellten Bauteils hängt dabei signifikant von den entsprechenden Materialeigenschaften des verwendeten schmelzbaren Werkstoffes ab. Vor allem mit Blick auf den Leichtbau ist es dabei oftmals wünschenswert, dass die Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt werden, um eine hohe gewichtsspezifische Festigkeit und Steifigkeit zu erlangen. Allerdings weisen Faserverbundwerkstoffe anisotrope Werkstoffeigenschaften auf, so dass Festigkeit und Steifigkeit richtungsabhängig ist und somit abhängig ist von dem Faserverlauf. Daher werden oftmals mehrere Lagen Fasermaterial mit unterschiedlichen Faserorientierungen angeordnet, um so zumindest teilweise die homogenen Werkstoffeigenschaften von Metallen nachzubilden.The rigidity and strength of a component produced on this basis depends significantly on the corresponding material properties of the fusible material used. Especially with regard to the lightweight construction, it is often desirable that the components are made of fiber composites in order to obtain a high weight-specific strength and rigidity. However, fiber composite materials have anisotropic material properties, so that strength and rigidity is direction-dependent and thus dependent on the fiber orientation. Therefore, multiple layers of fiber material are often arranged with different fiber orientations, so as to at least partially replicate the homogeneous material properties of metals.
Eine solche, insbesondere bedarfsweise Integration von Fasermaterial in 3D-Druck hätte dabei den entscheidenden Vorteil, dass Bauteile und Strukturen hergestellt werden können, deren Lastpfade exakt an die Bedingungen angepasst sind, ohne dabei unnötigerweise Fasermaterial zu benötigen.Such, especially if necessary, integration of fiber material in 3D printing would have the decisive advantage that components and structures can be produced whose load paths are adapted exactly to the conditions without unnecessarily requiring fiber material.
Aus Hauke Prüß, Thomas Vietor: Neue Gestaltungsfreiheiten durch 3D-gedruckte Faser-Kunststoff-Verbunde „Forum für Rapid Technologie“ Ausgabe 12/2015 ist ein 3D-Druckkopf bekannt, dem ein quasiendloses Fasermaterial zugeführt wird. Des Weiteren wird dem 3D-Druckkopf mithilfe zweier Zuführkanäle ein Kunststoffmaterial zugeführt, wobei Fasermaterial und Kunststoffmaterial in einer gemeinsamen Mischkammer münden, wodurch das hindurchführende Fasermaterial von dem Kunststoffmaterial benetzt und in dieser Form ausgegeben wird. Hierdurch lassen sich nahezu beliebige Strukturen mit integrierten Lastpfaden entwickeln.From Hauke Prüß, Thomas Vietor: New design freedom through 3D-printed fiber-plastic composites "Forum for Rapid Technology"
Der Nachteil dieses bekannten 3D-Druckkopfes liegt in der Tatsache, dass die Zuführung des Kunststoffmaterials in die Mischkammer durch zwei Zuführkanäle erfolgt, die diametral gegenüberliegen wobei das Fasermaterial für eine gute und vollständige Benetzung immer so durch die Mischkammer verlaufen muss, dass die eine Seite dem ersten Zuführkanal zugewandt ist, während die andere Seite dem zweiten Zuführkanal zugewandt ist. Bei einer Drehung des Fasermaterials um die eigene Achse um beispielsweise 90° würde dazu führen, dass das Matrixmaterial ggf. nicht mehr prozesssicher am Fasermaterial haftet.The disadvantage of this known 3D printing head lies in the fact that the supply of the plastic material into the mixing chamber by two feed channels, which are diametrically opposed to the fiber material for good and complete wetting always has to pass through the mixing chamber, that one side of the the first feed channel faces, while the other side faces the second feed channel. Upon rotation of the fiber material about its own axis by, for example, 90 ° would lead to the fact that the matrix material may no longer be reliably adhered to the fiber material.
Ein weiterer Nachteil dieses 3D-Druckkopfes mit diametral gegenüberliegenden Zuführkanälen liegt in der mangelnden Steuerbarkeit der Materialzuführung zum Zwecke einer entsprechenden Anpassung der Materialmischung an die vorgegebene herzustellende Struktur. Denn bei einem korrekten Durchführen des Fasermaterials durch den Mischkopf wird das Fasermaterial gleichmäßig von allen Seiten benetzt, was jedoch je nach Form und Geometrie der herzustellenden Struktur ggf. unerwünscht ist. Eine feingraduierte Steuerung des Verlaufes des Fasermaterials im Querschnitt zu der ausgegebenen Materialmischung aus Fasermaterial und Matrixmaterial ist demzufolge nicht möglich.Another disadvantage of this 3D print head with diametrically opposed feed channels lies in the lack of controllability of the material supply for the purpose of a corresponding adaptation of the material mixture to the predetermined structure to be produced. Because with a correct passage of the fiber material through the mixing head, the fiber material is uniformly wetted from all sides, but this is possibly undesirable depending on the shape and geometry of the structure to be produced. A finely graduated control of the course of the fiber material in cross section to the output material mixture of fiber material and matrix material is therefore not possible.
Aus der
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten 3D-Druckkopf sowie eine verbesserte Anlage und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Strukturen anzugeben, mit denen die Möglichkeit besteht, die aus der Mischung von Fasermaterial und Matrixmaterial gebildete Materialmischung an die herzustellende Form und Geometrie der dreidimensionalen Struktur sehr fein anzupassen und so die herzustellende Struktur zu optimieren.It is therefore an object of the present invention to provide an improved 3D printhead and an improved system and an improved method for producing three-dimensional structures, with which it is possible, the material mixture formed from the mixture of fiber material and matrix material to the shape and geometry of the three-dimensional To fine tune the structure and thus to optimize the structure to be produced.
Die Aufgabe wird mit der Anlage gemäß Anspruch 1, dem 3D-Druckkopf gemäß Anspruch 13 sowie dem Verfahren gemäß Anspruch 14 erfindungsgemäß gelöst.The object is achieved with the system according to claim 1, the 3D print head according to
Gemäß Anspruch 1 wird eine Anlage zum Herstellen von dreidimensionalen Strukturen vorgeschlagen, die zwei oder mehr unterschiedliche Werkstoffe aufweisen. Die Anlage hat einen 3D-Druckkopf, der eine erste Materialzuführung zum Zuführen eines quasiendlosen Fasermaterials und wenigstens eine zweite Materialzuführung zum Zuführen eines thermoplastischen Matrixmaterials hat. Sowohl die erste Materialzuführung als auch die zweite Materialzuführung münden in einer gemeinsamen Mischkammer, in der dann das quasiendlose Fasermaterial mit dem Matrixmaterial benetzt und somit die Materialmischung gebildet wird. Die Mischkammer weist darüber hinaus einen Auslass auf, durch den das Materialgemisch von der Mischkammer aus dem 3D-Druckkopf herausgepresst und somit die dreidimensionale Struktur hergestellt werden kann.According to claim 1, a plant for producing three-dimensional structures is proposed, which have two or more different materials. The system has a 3D print head having a first material feed for feeding a quasi-fiberless material and at least a second material feed for feeding a thermoplastic matrix material. Both the The first material feed and the second material feed open into a common mixing chamber, in which then the quasiendlose fiber material wets with the matrix material and thus the material mixture is formed. The mixing chamber also has an outlet through which the mixture of materials can be extruded from the mixing chamber of the 3D print head and thus the three-dimensional structure can be produced.
Die Mischkammer ist dabei so ausgebildet, dass sie temperierbar (beheizbar) ist, um so das thermoplastische Matrixmaterial aufzuschmelzen und verformbar zu machen.The mixing chamber is designed so that it is heatable (heatable), so as to melt the thermoplastic matrix material and make it deformable.
Die erste Materialzuführung hat dabei einen Zuführkanal, der in der Mischkammer mündet und axial zu dem Auslass so angeordnet ist, dass ein quasiendloses Fasermaterial von dem Zuführkanal der ersten Materialzuführung durch die Mischkammer und dem Auslass hindurchführbar ist, ohne hierbei insbesondere umgelenkt zu werden. Hierdurch wird insbesondere erreicht, dass das Fasermaterial während des Hindurchführens durch den 3D-Druckkopf durch entsprechende Kontaktstellen nicht beschädigt wird.In this case, the first material supply has a feed channel which opens into the mixing chamber and is arranged axially relative to the outlet so that a quasi-free fiber material can be guided from the feed channel of the first material feed through the mixing chamber and the outlet, without being deflected in particular. In this way it is achieved, in particular, that the fiber material is not damaged during passage through the 3D printing head by corresponding contact points.
Des Weiteren weist die Anlage einer Steuerungseinheit auf, die zum Steuern der Materialzuführung des quasiendlosen Fasermaterials und/oder des thermoplastischen Matrixmaterials eingerichtet ist, um so das Ausgeben der Materialmischung entsprechend beeinflussen und manipulieren zu können.Furthermore, the system has a control unit which is set up to control the material supply of the quasi-non-volatile fiber material and / or the thermoplastic matrix material so as to be able to influence and manipulate the dispensing of the material mixture accordingly.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die wenigstens zweite Materialzuführung drei oder mehr Zuführkanäle aufweist, die um einen axialen Verlauf des Zuführkanals der ersten Materialzuführung herum angeordnet sind und in der Mischkammer münden. Die Zuführkanäle sind dabei um den axialen Verlauf des Zuführkanals der ersten Materialzuführung, durch den das Fasermaterial in die Mischkammer geführt wird, äquidistant zueinander angeordnet, so dass immer zwei benachbarte Zuführkanäle der zweiten Materialzuführung den gleichen Abstand zueinander haben (innerhalb von Fertigungstoleranzen).According to the invention, it is now provided that the at least second material supply has three or more feed channels, which are arranged around an axial course of the feed channel of the first material feed and open into the mixing chamber. The feed channels are arranged equidistant from one another about the axial course of the feed channel of the first material feed, through which the fiber material is guided into the mixing chamber, so that always two adjacent feed channels of the second material feed have the same distance from one another (within manufacturing tolerances).
Hierdurch besteht nunmehr die Möglichkeit, das Matrixmaterial und die Benetzung des Fasermaterials in der Mischkammer zu variieren und zu optimieren, um so das Materialgemisch feingraduierter an die vorgegebenen Bedingungen bzw. die vorgegebene Geometrie der herzustellenden Struktur anpassen zu können.As a result, it is now possible to vary and optimize the matrix material and the wetting of the fiber material in the mixing chamber in order to be able to adapt the material mixture to the given conditions or the given geometry of the structure to be produced in a finer graduated manner.
Dabei haben die Erfinder erkannt, dass durch eine separate Materialzuführung des thermoplastischen Kunststoffes mithilfe von drei oder mehr Zuführkanälen die Benetzung des Fasermaterials verbessert werden kann, wobei durch eine Variation der Zuführgeschwindigkeit des thermoplastischen Matrixmaterials der einzelnen Zuführkanäle mithilfe der Steuerungseinheit die Lage und Position des Matrixmaterials innerhalb des Querschnitts der Materialmischung nahezu beliebig eingestellt werden kann. So lassen sich dreidimensionale Strukturen herstellen, die optimal an die vorgegebenen Einsatzbedingungen angepasst sind.In this case, the inventors have recognized that the wetting of the fiber material can be improved by a separate material supply of the thermoplastic material by means of three or more feed channels, wherein by varying the feed rate of the thermoplastic matrix material of the individual feed channels using the control unit, the position and position of the matrix material within the cross section of the material mixture can be set almost arbitrarily. Thus, three-dimensional structures can be produced which are optimally adapted to the given conditions of use.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Zuführkanäle der zweiten Materialzuführung nicht axial zu dem Auslass angeordnet, sondern münden vielmehr in einen gewissen Winkel zu dem Auslass bzw. zu dem axialen Verlauf des Zuführkanals der ersten Materialzuführung, um so die Benetzung des Fasermaterials während des Hindurchführens zu optimieren.In an advantageous embodiment, the feed channels of the second material supply are not arranged axially to the outlet, but rather open at a certain angle to the outlet or to the axial course of the feed channel of the first material supply, so as to optimize the wetting of the fiber material during the passage ,
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der 3D-Druckkopf für jeden Zuführkanal der zweiten Materialzuführung jeweils eine Vorschubeinheit auf, die das thermoplastische Matrixmaterial durch den jeweiligen Zuführkanal der zweiten Materialzuführung in die Mischkammer vorschieben bzw. drücken. Jeder Vorschubeinheit wird hierbei jeweils ein eigenes Material zugeführt, was beispielsweise von einer Materialbereitstellung erfolgen kann. Die an dem 3D-Druckkopf angeordnete Vorschubeinheit zieht nun das noch in der Regel feste Material aus der Materialbereitstellung und drückt es in den jeweiligen Zuführkanal, wo es aufgrund der Temperierung der Mischkammer erwärmt und dann in die Mischkammer gelangt.In one advantageous embodiment, the 3D printing head has in each case one feed unit for each feed channel of the second material feed, for advancing or pressing the thermoplastic matrix material into the mixing chamber through the respective feed channel of the second material feed. Each feed unit in this case is supplied in each case a separate material, which can be done for example by a material supply. The arranged on the 3D printhead feed unit now pulls the still usually solid material from the material supply and presses it into the respective feed, where it is heated due to the temperature of the mixing chamber and then enters the mixing chamber.
Die Vorschubeinheiten sind dabei an dem 3D-Druckkopf insbesondere lösbar angeordnet, was die Reinigung der Anlage insgesamt deutlich vereinfacht. Hierbei ist denkbar, dass die jeweilige Vorschubeinheit direkt auf einem der Zuführkanäle aufgeschraubt bzw. befestigt wird, wobei eine Vorschubeinheit hierbei zwischen dem Zuführkanal und der Vorschubeinheit Kühlrippen aufweisen kann, um ein zu frühes Aufschmelzen des noch festen thermoplastischen Matrixmaterials in der Vorschubeinheit zu verhindern.The feed units are arranged in particular releasably on the 3D print head, which significantly simplifies the cleaning of the system as a whole. In this case, it is conceivable that the respective feed unit is screwed or fastened directly to one of the feed channels, wherein a feed unit may have cooling fins between the feed channel and the feed unit in order to prevent premature melting of the still solid thermoplastic matrix material in the feed unit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist jede der Vorschubeinheiten mit der Steuerungseinrichtung verbunden, so dass jede der Vorschubeinheiten separat durch die Steuerungseinrichtung angesteuert werden kann. Jede der Vorschubeinheiten kann dabei individuell so angesteuert werden, dass eine entsprechende Vorschubgeschwindigkeit bzw. Materialzuführgeschwindigkeit für jede der Vorschubeinheiten separat und getrennt von den anderen eingestellt werden kann. Durch die unterschiedlichen Materialzuführgeschwindigkeiten der einzelnen Vorschubeinheiten kann so die Lage und Position des Fasermaterials im Querschnitt der Materialmischung am Auslass variiert werden und so je nach gewünschter Lage und Position beeinflusst werden. So ist es beispielsweise denkbar, dass für eine oder ggf. mehrere Vorschubeinheiten der Vorschub gänzlich unterbrochen wird, so dass eine Materialzuführgeschwindigkeit von 0 eingestellt ist. Hierdurch wird das Fasermaterial sehr ungleichmäßig benetzt, was ggf. für den Aufbau der Struktur gewünscht ist.In a further advantageous embodiment, each of the feed units is connected to the control device, so that each of the feed units can be controlled separately by the control device. Each of the feed units can be controlled individually so that a corresponding feed rate or Materialzuführgeschwindigkeit for each of the feed units can be set separately and separately from the others. Due to the different material feed speeds of the individual feed units so the location and Position of the fiber material in the cross-section of the material mixture can be varied at the outlet and thus influenced depending on the desired position and position. So it is conceivable, for example, that for one or possibly more feed units of the feed is interrupted completely, so that a Materialzuführgeschwindigkeit is set by 0. As a result, the fiber material is wetted very unevenly, which is possibly desired for the structure of the structure.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuerungseinheit zum Einstellen und/oder Variieren der Materialzuführgeschwindigkeit des quasiendlosen Fasermaterials und/oder des thermoplastischen Matrixmaterials eingerichtet. So ist es denkbar, dass beispielsweise die Materialzuführung des quasiendlosen Fasermaterials zeitweise unterbrochen wird, um so Bereiche ohne Fasermaterial zu drucken. Denkbar ist aber auch, dass unterschiedliche thermoplastische Matrixmaterialien verwendet werden, die bedarfsweise der Mischkammer zugeführt werden. Hierbei wird zunächst ein erstes thermoplastisches Matrixmaterial in die Mischkammer zugeführt, wobei bedarfsweise dann das Zuführen des ersten thermoplastischen Matrixmaterials unterbrochen und die Zuführung des zweiten thermoplastischen Matrixmaterials aufgenommen wird. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn der 3D-Druck mehr als drei Zuführkanäle der zweiten Materialzuführungseinrichtung aufweist.In a further advantageous embodiment, the control unit is set up for setting and / or varying the material feed rate of the quasi-filamentary fiber material and / or of the thermoplastic matrix material. Thus, it is conceivable that, for example, the material supply of the quasi-fiber-free fiber material is temporarily interrupted so as to print areas without fiber material. It is also conceivable that different thermoplastic matrix materials are used, which are supplied as needed, the mixing chamber. In this case, a first thermoplastic matrix material is first fed into the mixing chamber, wherein, if necessary, then the feeding of the first thermoplastic matrix material is interrupted and the supply of the second thermoplastic matrix material is absorbed. This is particularly advantageous when the 3D printing has more than three feed channels of the second material supply device.
Es ist darüber hinaus hierbei besonders vorteilhaft, wenn die Steuerungseinheit zum Einstellen und/oder Variieren der Materialzuführgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einer Druckgeschwindigkeit und/oder einer Druckgeschwindigkeitsänderung beim Drucken der dreidimensionalen Struktur ausgebildet ist. So ist es denkbar, dass bei großflächigen Bauteilen zunächst mit einer hohen Druckgeschwindigkeit die Materialmischung ausgegeben wird, wodurch eine hohe Materialzuführgeschwindigkeit sowohl des quasiendlosen Fasermaterials als auch des thermoplastischen Matrixmaterials notwendig ist. Verlangsamt sich die Druckgeschwindigkeit, d.h. die relative Geschwindigkeit des 3D-Druckkopfes gegenüber der zu druckenden dreidimensionalen Struktur, so wird auch die Materialzuführgeschwindigkeit sowohl des quasiendlosen Fasermaterials als auch des thermoplastischen Matrixmaterials verringert, um so an die verringerte Druckgeschwindigkeit angepasst zu sein und so weniger Material der Materialmischung pro Zeit auszugeben. Diesbezüglich ist es ebenso vorteilhaft, wenn die Materialzuführgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Geometrie und/oder eines vorgegebenen Aufbaus der herzustellenden dreidimensionalen Struktur eingestellt und/oder variiert wird, um so eine an die gewünschten Bedingungen angepasste Materialmischung zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort und Position der dreidimensionalen Struktur ausgeben zu können.Moreover, it is particularly advantageous in this case if the control unit is designed to set and / or vary the material feed speed as a function of a printing speed and / or a printing speed change when printing the three-dimensional structure. Thus, it is conceivable that in the case of large-area components the material mixture is first output at a high printing speed, whereby a high material feed rate of both the quasi-filamentary fiber material and the thermoplastic matrix material is necessary. Slows down the printing speed, i. the relative speed of the 3D print head over the three-dimensional structure to be printed also reduces the material feed rate of both the quasi-non-fibrous material and the thermoplastic matrix material so as to accommodate the reduced print speed and thus output less material of the material mix per time. In this regard, it is also advantageous if the material feed rate is adjusted and / or varied in response to a given geometry and / or design of the three-dimensional structure to be fabricated so as to provide a material mixture adapted to the desired conditions at each time and place and location to spend the three-dimensional structure.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Anlage eine erste Materialbereitstellungseinrichtung auf, die zum Bereitstellen eines quasiendlosen Fasermaterials zu der ersten Materialzuführung des 3D-Druckkopfes ausgebildet ist, und eine zweite Materialbereitstellungseinrichtung hat, die zum Bereitstellen eines thermoplastischen Matrixmaterials zu der zweiten Materialzuführung des 3D-Druckkopfes ausgebildet ist. Die erste Materialzuführung hat einen Eingang, durch den das quasiendlose Fasermaterial in den Zuführkanal der ersten Materialzuführung zugeführt wird. Des Weiteren ist eine Druckquelle vorgesehen, die mit dem Eingang der ersten Materialzuführung derart zusammenwirkt, dass an dem Eingang der ersten Materialzuführung ein Überdruck erzeugbar ist, der ein Austreten des thermoplastischen Matrixmaterials am Eingang der ersten Materialzuführung verhindert.In a further advantageous embodiment, the installation has a first material supply device, which is designed to provide a quasi-filamentary material to the first material supply of the 3D print head, and has a second material supply device, which is for providing a thermoplastic matrix material to the second material supply of the 3D print head is trained. The first material feed has an entrance through which the quasi-filamentous fiber material is fed into the feed channel of the first material feed. Furthermore, a pressure source is provided which cooperates with the input of the first material supply such that at the entrance of the first material supply an overpressure can be generated, which prevents leakage of the thermoplastic matrix material at the entrance of the first material supply.
Durch das Hineindrücken des thermoplastischen Matrixmaterials über die Zuführkanäle der zweiten Materialzuführung entsteht ein Druck in der Mischkammer, der gewünscht in Richtung des Auslasses gerichtet ist und systembedingt unerwünscht auch in Richtung der ersten Materialzuführung. Durch das Erzeugen des Überdruckes am Eingang der ersten Materialzuführung, wie oben erwähnt, kann dabei ein Aufsteigen des flüssigen thermoplastischen Matrixmaterials von der Mischkammer bis zum Eingang der ersten Materialzuführung verhindert werden, wodurch die Gefahr von Verunreinigungen des 3D-Druckkopfes und des Aushärtens des thermoplastischen Matrixmaterials im Zuführkanal der ersten Materialzuführung reduziert wird.By pushing in the thermoplastic matrix material via the feed channels of the second material supply, a pressure is created in the mixing chamber, which is directed in the direction of the outlet and due to the system undesirably also in the direction of the first material feed. By generating the overpressure at the entrance of the first material supply, as mentioned above, an increase of the liquid thermoplastic matrix material from the mixing chamber to the entrance of the first material supply can be prevented, whereby the risk of contamination of the 3D print head and the curing of the thermoplastic matrix material is reduced in the feed of the first material supply.
Bevorzugt weist die erste Materialbereitstellungseinrichtung dabei einen Druckbehälter auf, in dem das quasiendlose Fasermaterial gelagert ist. Darüber hinaus weist die erste Materialbereitstellungseinrichtung eine druckdichte Faserführung auf, die druckdicht an dem Druckbehälter einerseits und druckdicht an der ersten Materialzuführung des 3D-Druckkopfes andererseits angeschlossen ist und beispielsweise aus einem festen Rohr oder einem flexiblen Schlauch gebildet sein kann. Der Druckbehälter sowie die druckdichte Faserführung bilden dabei einen Innenbereich bzw. Innenraum, der durch den Druckbehälter und die druckdichte Faserführung von einem Außenbereich abgegrenzt ist. Dieser Innenbereich ist dabei so ausgebildet, dass er mittels der Druckquelle mit einem Druckmedium bedruckbar ist, so dass ein Innendruck im Inneren des Druckbehälters und der druckdichten Faserführung derart erzeugt werden kann, dass der Überdruck am Eingang der ersten Materialzuführung erzeugt und ein Austreten des thermoplastischen Matrixmaterials an der ersten Materialzuführung, d.h. an dem Eingang der ersten Materialzuführung am 3D-Druckkopf, verhindert wird.The first material supply device preferably has a pressure vessel in which the quasi-filamentary fiber material is stored. In addition, the first material supply device has a pressure-tight fiber guide which is pressure-tightly connected to the pressure vessel on the one hand and pressure-tight on the first material supply of the 3D print head on the other hand and may be formed, for example, from a solid tube or a flexible hose. The pressure vessel and the pressure-tight fiber guide thereby form an interior or interior, which is delimited by the pressure vessel and the pressure-tight fiber guide of an outdoor area. This inner region is designed so that it can be printed by means of the pressure source with a printing medium, so that an internal pressure in the interior of the pressure vessel and the pressure-tight fiber guide can be generated such that the overpressure generated at the entrance of the first material supply and leakage of the thermoplastic matrix material at the first material supply, ie at the entrance of the first material feed on the 3D print head is prevented.
Durch das Bedrucken des Innenbereiches wird somit bis zum Eingang der ersten Materialzuführung ein Innendruck mithilfe der Druckquelle aufgebaut, der das Austreten des thermoplastischen Matrixmaterials aus der ersten Materialzuführung verhindern soll.By printing on the inner region, an internal pressure is thus built up by the pressure source, which is intended to prevent the emergence of the thermoplastic matrix material from the first material supply, until the first material feed is received.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuerungseinheit zum Ansteuern der Druckquelle so ausgebildet, dass der erzeugte Überdruck am Eingang der ersten Materialzuführung variiert.In a further advantageous embodiment, the control unit for controlling the pressure source is designed so that the generated overpressure at the entrance of the first material supply varies.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hierzu ist die Steuerungseinheit zum Ansteuern der Druckquelle derart eingerichtet, dass der erzeugte Überdruck in Abhängigkeit von einer Druckgeschwindigkeit des Druckkopfes und/oder in Abhängigkeit von einer Materialzuführgeschwindigkeit des quasiendlosen Fasermaterials und/oder des thermoplastischen Matrixmaterials eingestellt wird. Denn mit zunehmender Druckgeschwindigkeit bzw. zunehmender Materialzuführgeschwindigkeit steigt auch der in der Mischkammer erzeugte Druck, wodurch die Gefahr erhöht wird, dass thermoplastisches Matrixmaterial am Einlass der ersten Materialzuführung austritt. Dies wird durch ein Anpassen des Überdruckes, bspw. durch ein Erhöhen des Innendruckes bei erhöhter Druckgeschwindigkeit bzw. erhöhter Materialzuführgeschwindigkeit ausgeglichen.In a further advantageous embodiment, the control unit for controlling the pressure source is set up such that the generated overpressure is set as a function of a printing speed of the print head and / or as a function of a material feed rate of the quasi-filamentary fiber material and / or of the thermoplastic matrix material. Because with increasing printing speed or increasing Materialzuführgeschwindigkeit also increases the pressure generated in the mixing chamber, whereby the risk is increased that emerges thermoplastic matrix material at the inlet of the first material supply. This is compensated by adjusting the overpressure, for example by increasing the internal pressure at an increased printing speed or increased material feed rate.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hierzu weist die erste Materialzuführung am 3D-Druckkopf ein Sensorsystem auf, das zum Detektieren einer Füllhöhe des thermoplastischen Matrixmaterials in der ersten Materialzuführung ausgebildet ist, wobei die Steuerungseinheit zum Ansteuern der Druckwelle derart eingerichtet ist, dass der erzeugte Überdruck in Abhängigkeit von der detektierten Füllhöhe eingestellt wird. Je höher dabei der Füllstand innerhalb der ersten Materialzuführung ist, was über das Sensorsystem detektierbar ist, desto größer wird der Überdruck durch die Steuerungseinheit eingestellt.In a further advantageous embodiment, the first material feed on the 3D print head has a sensor system which is designed to detect a filling level of the thermoplastic matrix material in the first material feed, wherein the control unit for controlling the pressure wave is set up such that the generated overpressure is dependent is set by the detected level. The higher the fill level within the first material supply, which can be detected via the sensor system, the greater the overpressure is set by the control unit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Anlage, insbesondere die Druckquelle der Anlage, zum Temperieren des zum Erzeugen des Überdruckes verwendeten Druckmediums ausgebildet, um so ein Erstarren bzw. Festwerden des flüssigen thermoplastischen Kunststoffes ein Aufsteigen in der ersten Materialzuführung zu verhindern. Denn je höher der geschmolzene thermoplastische Kunststoff in der ersten Materialzuführung aufsteigt, desto weiter weg entfernt er sich von der temperierten Mischkammer, was dazu führen kann, dass er soweit abkühlt, dass er wieder verfestigt. Durch ein Temperieren des Druckmediums kann einem solchen Verfestigen entgegengewirkt werden.In a further advantageous embodiment, the system, in particular the pressure source of the system, is designed for tempering the pressure medium used to generate the overpressure so as to prevent solidification or solidification of the liquid thermoplastic material from rising in the first material supply. For the higher the molten thermoplastic rises in the first material supply, the farther away it is from the tempered mixing chamber, which can cause it to cool down so far that it solidifies again. By tempering the pressure medium can be counteracted such solidification.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der 3D-Druckkopf als Endeffektor an einem Bewegungsautomaten angeordnet und somit frei im Raum bewegbar. Denkbar ist aber auch, dass der 3D-Druckkopf an einer Portalanlage angeordnet ist oder fest vorgesehen ist, wobei sich dann zumindest der Ablegetisch unter dem 3D-Druckkopf bewegt.According to an advantageous embodiment, the 3D print head is arranged as an end effector on a motion machine and thus freely movable in space. It is also conceivable, however, for the 3D printing head to be arranged on a gantry installation or fixedly provided, with at least the deposition table then moving under the 3D printing head.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der 3D-Druckkopf eine Kopfspitze auf, die lösbar an dem 3D-Druckkopf angeordnet und innerhalb dessen der Auslass, in den die Mischkammer zum Ausgeben des Materialgemisches mündet, vorgesehen ist. Der Auslass weist bevorzugt einen Durchmesser auf, der geringer ist als der Durchmesser der Zuführkanäle der ersten und/oder zweiten Materialzuführung, so dass durch die lösbare Kopfspitze ein Zugriff auf die Zuführkanäle der ersten und/oder zweiten Materialzuführung möglich wird, um diese bspw. zu reinigen oder Verstopfungen zu entfernen.According to a further advantageous embodiment, the 3D print head has a head tip, which is detachably arranged on the 3D print head and within which the outlet, into which the mixing chamber opens for dispensing the material mixture, is provided. The outlet preferably has a diameter which is smaller than the diameter of the feed channels of the first and / or second material feed, so that access to the feed channels of the first and / or second material feed is made possible by the detachable head tip, for example to this clean or remove blockages.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit einem 3D-Druckkopf wie vorstehend beschreiben gelöst, wobei ein solcher 3D-Druckkopf dann drei oder mehr Zuführkanäle bei der zweiten Materialzuführung aufweist, die alle in der gemeinsamen Mischkammer münden.Incidentally, the object is also achieved with a 3D print head as described above, wherein such a 3D print head then has three or more feed channels in the second material feed, all of which open in the common mixing chamber.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Struktur gelöst, wobei zunächst eine Anlage zum Herstellen einer dreidimensionalen Struktur wie vorstehend beschreiben bereitgestellt wird. Dem 3D-Druckkopf der Anlage wird nun sowohl ein quasiendloses Fasermaterial als auch ein thermoplastisches Matrixmaterial zugeführt und in der gemeinsamen Mischkammer zur Bildung einer Materialmischung gemischt und anschließend die Materialmischung dann zur Herstellung der dreidimensionalen Struktur gedruckt.Incidentally, the object is also achieved with the method for producing a three-dimensional structure, wherein initially a system for producing a three-dimensional structure as described above is provided. Both a quasi-free fiber material and a thermoplastic matrix material is now supplied to the 3D print head of the system and mixed in the common mixing chamber to form a material mixture and then the material mixture is then printed to produce the three-dimensional structure.
In einer vorteilhaften Ausführungsform hierzu ist es dabei denkbar, dass die Materialzuführgeschwindigkeit bei der Materialzuführung des quasiendlosen Fasermaterials und/oder des thermoplastischen Matrixmaterials während des Druckens variiert wird, was auch bedeuten kann, dass die Materialzuführgeschwindigkeit auf 0 herabgesetzt und somit die Materialzuführung unterbrochen wird.In an advantageous embodiment for this purpose, it is conceivable that the Materialzuführgeschwindigkeit is varied in the material supply of the quasi-filamentary fiber material and / or the thermoplastic matrix material during printing, which may also mean that the Materialzuführgeschwindigkeit reduced to 0, and thus the material supply is interrupted.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 - Perspektivische Darstellung eines 3D-Druckkopfes; -
2 - Schnittdarstellung des 3D-Druckkopfes -
3 - schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anlage.
-
1 - Perspective view of a 3D printhead; -
2 - Sectional view of the 3D print head -
3 - Schematic representation of the system according to the invention.
Innerhalb des Mischkopfes
Die erste Materialzuführung
Die zweite Materialzuführung
Jedem der drei Zuführkanäle
Durch die Anordnung von drei Zuführkanälen (oder ggf. mehr) und jeweils separaten Vorschubeinheiten, die mithilfe einer Steuerungseinheit separat angesteuert werden können, kann die Materialzuführung sehr fein graduiert eingestellt werden, wodurch die Lage und Position des Fasermaterials innerhalb des ummantelnden Matrixmaterials definiert einstellbar ist.The arrangement of three feed channels (or possibly more) and each separate feed units, which can be controlled separately by means of a control unit, the material supply can be adjusted very fine graduated, whereby the position and position of the fiber material within the covering matrix material is defined adjustable.
So ist es beispielsweise denkbar, dass die Materialzuführung des Fasermaterials grundsätzlich gestoppt wird, wodurch ausschließlich das thermoplastische Matrixmaterial am Auslass
Der Auslass
Denn in der Regel hat der Auslass
Die Zuführkanäle
Die Anlage
Des Weiteren weist die Anlage
Des Weiteren ist eine nur schematisch angedeutete zweite Materialbereitstellungseinrichtung
Die Steuerungseinheit
Des Weiteren weist der Druckbehälter
Dabei ist es denkbar, dass die Druckwelle
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- - Druckkopf- Printhead
- 1111
- - Mischkopf- mixing head
- 1212
- - Auslass- outlet
- 1313
- - erste Materialzuführung- first material feed
- 1414
- - zweite Materialzuführung- second material supply
- 1515
- - Zuführkanäle der zweiten Materialzuführung- Feed channels of the second material supply
- 1616
- - Vorschubeinheiten- Feed units
- 1717
- - Kühlrippen- cooling fins
- 1818
- - Kopfspitze- head tip
- 1919
- - Zuführkanäle der ersten Materialzuführung- Feeding channels of the first material supply
- 2020
- - Steuerungseinheit- Control unit
- 2121
- - Mischkammer- mixing chamber
- 3030
- - erste Materialbereitstellungseinrichtung- First material supply device
- 3131
- - Fasermaterial- Fiber material
- 3232
- - Druckbehälter- Pressure vessel
- 3333
- - Faserzuführung- fiber feed
- 3434
- - Druckquelle- Pressure source
- 4040
- - zweite Materialbereitstellungseinrichtung- Second material supply device
- 4141
- - thermoplastisches Matrixmaterial- thermoplastic matrix material
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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