DE102017131463A1

DE102017131463A1 - 3D-Druckvorrichtung

Info

Publication number: DE102017131463A1
Application number: DE102017131463.6A
Authority: DE
Inventors: Julian Scholz; Uwe Popp; Brando Okolo; Tony Tran-Mai; Lars Pfotzer
Original assignee: Apium Additive Tech GmbH; Apium Additive Technologies GmbH
Current assignee: Apium Additive Tech GmbH; Apium Additive Technologies GmbH
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2037-12-30
Also published as: DE102017131463B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine 3D-Druckvorrichtung (1) bei der in an sich bekannter Weise auf ein innerhalb eines Druckraumes (2) angeordnetes Druckobjekt (20) schichtweise mithilfe eines Druckkopfes (3) ein fadenförmiges Filament (7) über eine heiße Düse verflüssigt aufgetragen wird, das innerhalb des Druckraumes (2) nach und nach aushärtet, bis das gewünschte Druckobjekt (20) hergestellt ist. Die erfindungsgemäße Lösung ergänzt die vorbekannte 3D-Druckvorrichtung dadurch, dass ein auf das Druckbett (5) der 3D-Druckvorrichtung (1) aufzubringendes Druckobjekt (20) zeitweise oder ständig von einem warmen Luftschleier derart eingehüllt ist, dass das Druckobjekt durch diesen Luftschleier thermisch isoliert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine 3D-Druckvorrichtung, umfassend einen geschlossenen oder offenen Druckraum, der unterseitig von einem Druckbett begrenzt ist, wobei in dem Druckraum ein vorzugsweise in alle drei Raumachsen, vorzugsweise elektromotorisch bewegbarer, Druckkopf angeordnet ist, der unterseitig von wenigstens einem Extrusionskopf abgeschlossen ist, wobei diesem Druckkopf (3) über wenigstens einen Extruder ein fadenförmiges Filament, vorzugsweise ein Druckmaterial aus teilkristallinen Polymeren, etwa ein PEEK Filament, zuführbar ist, das von einer außerhalb des Druckraumes angeordneten Filamentspule abspulbar ist, zuführbar ist, wobei dem Austrittsbereich des Extrusionskopfes eine korrespondierend mit dem Extrusionskopf bewegliche Düse zugeordnet ist
In diesem Zusammenhang ist beispielsweise aus der europäischen Patentschrift EP 0 431 924 B1 ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Computerdaten vorbekannt, bei dem ein sogenanntes Partikelmaterial in einer dünnen Schicht auf eine Plattform aufgetragen wird und anschließend mittels eines oberhalb der Plattform angeordneten Druckkopfes mit einem Bindermaterial bedruckt wird. Der mit dem Binder bedruckte Partikelbereich verklebt und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders. Anschließend wird die Plattform um eine Schichtdicke in einem Bauzylinder abgesenkt und mit einer neuen Schicht Partikelmaterial versehen, die ebenfalls, wie vorstehend beschrieben, mit einem Bindermaterial bedruckt wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis die gewünschte Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so, nach und nach, ein dreidimensionales Objekt. Es handelt sich dabei um ein pulvergestütztes Rapid-Prototyping, zu denen beispielsweise das selektive Lasersintern oder auch das Elektron-Beam Sintern gehört.
Mittels sogenannter Fused Filament Fabrication (FFF)-Verfahren lassen sich nur solche Materialien verarbeiten, die beim Erhitzen weich und formbar werden, wie etwa thermoplastische Kunststoffe, zu denen unter anderem ABS, also Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS) gehören, aber auch PLA, also Polylactide zählen. Diese Kunststoffe werden beim Erhitzen weich und formbar und können daher über einen Druckkopf aufgetragen werden. Bei diesem Druckkopf handelt es sich im Wesentlichen um eine heiße Düse, durch die das feste Rohmaterial gepresst wird und im Ergebnis aus der Düse als dünner weicher Faden austritt, mit dem die Düse jeweils eine weitere Schicht des gewünschten Objektes aufträgt, die dann anschließend in der gewünschten Form erkaltet und erstarrt, woraufhin dann der Druckkopf um wenigstens eine Schichtdicke abrückt und anschließend die nächste Schicht, wie vorstehend beschrieben, aufträgt.
Zu den schnellsten Verfahren der vorstehend erläuterten Schicht-Bautechnik zählt das 3D-Drucken auf der Basis pulverförmiger Werkstoffe unter Eintrag flüssiger Binder.
Alle diese Verfahren werden unter dem Oberbegriff dreidimensionale Druckverfahren bzw. 3D-Druckverfahren zusammengefasst.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch eine 3D-Druckvorrichtung gemäß den geltenden Ansprüchen 1 bis 13 gelöst.
Gegenstand des geltenden Anspruchs 1 ist zunächst eine aus dem Stand der Technik bekannte 3D-Druckvorrichtung, umfassend einen geschlossenen oder offenen Druckraum, der unterseitig von einem Druckbett begrenzt ist, auf das dann, in einem an sich bekannten Schicht-Auftragsverfahren, das Druckobjekt schichtweise nach und nach aufgetragen wird. Dabei wird das Druckmaterial, vorzugsweise ein fadenförmiges Kunststoffelement, von einer Filamentspule abgewickelt und über eine Vorschubeinrichtung einem Druckkopf mit einem vorgeschalteten oder integrierten Extruder zugeführt und dann über den beheizten Düsenkopf des Druckkopfes verflüssigt und mittels des beweglichen Druckkopfes eine weitere Schicht dieses Druckmaterials auf die derzeit oberste Schicht des auf dem Druckbett angeordneten Druckobjektes aufgetragen, sowie anschließend die nächste Schicht, bis zur Fertigstellung des Druckobjektes. Dabei zeichnet sich die erfindungsgemäße 3D-Druckvorrichtung dadurch aus, dass das aufzubringende. Druckobjekt zeitweise oder ständig von einem warmen Luftschleier derart eingehüllt ist, dass dieses Druckobjekt durch diesen Luftschleier thermisch isoliert ist. Der Luftschleier wird dabei entweder dadurch erzeugt, dass das Druckbett der 3D-Druckvorrichtung perforiert ist und diesem perforierten Druckbett über eine Heizpumpe und eine Heißluftleitung heiße Luft zugeführt wird oder im Falle der Verwendung eines geschlossen ausgebildeten Druckbettes ein zumindest abschnittsweise perforierte Druckschlauch und/oder eine oder mehrere Heißluftdüsen die jeweils ebenfalls über eine oder mehrere Heißluftleitungen, die mit der Heizpumpe strömungsverbunden sind, das Druckobjekt in einem definierten Strömungswinkel derart angeströmt, dass das Druckobjekt von dem besagten Luftschleier eingehüllt ist.
Hierdurch wird der bei 3D-Druckverfahren zu vermeidende bzw. zu reduzierende Warp-Effekt von vornherein ausgeschlossen, weil die für den genannten Effekt während der langsamen Abkühlung der Druckoberfläche verantwortlichen Schrumpfungsprozesse nicht stattfinden bzw. reduziert sind und dementsprechend mögliche Spannungen in dem gefertigten Bauteil vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Druckbett perforiert ausgebildet, wobei diesem Druckbett von seiner dem auf dem Druckbett angeordneten Druckobjekt abgewandten Unterseite Heißluft mit einer definierten Temperatur zugeführt wird, die dann durch die Perforation des Druckbettes bestimmungsgemäß entlang des auf dem Druckbett aufgebrachten Druckobjektes aufsteigt.
Dabei wird die Heißluft mittels einer außerhalb des Druckraumes angeordneten Heizpumpe etwa einem unterhalb des Druckbettes angeordneten Hohlraum zugeführt und entweicht aufgrund des sich in diesem Hohlraum ausbildenden Überdrucks bestimmungsgemäß durch die Perforation des Druckbettes nach oben in den Druckraum. In konkreter Ausgestaltung dieser Ausführung ist die Pumpe innerhalb einer dem Druckraum der 3D-Druckvorrichtung zugeordneten Heißluftleitung angeordnet, die mit Vorteil als Ringleitung derart konstruiert ist, dass, wie vorstehend erläutert, mittels der Pumpe Heißluft dem Druckobjekt zugeführt wird, die durch die Perforation des Druckbettes nach oben ausströmt und oberhalb des Druckbereiches mittels einer dem Druckkopf der 3D-Druckvorrichtung zugeordneten Absaugvorrichtung abgesaugt und zumindest teilweise wieder in die Heißluftleitung eingespeist wird und im weiteren Strömungsverlauf mittels der Pumpe einer der Heißluftleitung zugeordneten Heizung zugeführt wird, dort wieder auf Temperatur gebracht wird und anschließend wiederum in den Druckraum durch das perforierte Druckbett hindurch gefördert wird.
In weiterer Ausgestaltung zeichnet sich die erfindungsgemäße 3D-Druckvorrichtung dadurch aus, dass der Druckvorgang mit einer Temperaturregelung versehen ist, also der Druckvorgang selber bei einer definierten Temperatur stattfindet und im Übrigen auch die nachgeschalteten Erhärtungsprozesse des aufgebrachten Druckmaterials gesteuert oder besser gesagt geregelt in Verbindung mit einer Temperatursteuerung durchgeführt werden, so dass es in diesem Zusammenhang sinnvoll ist, dass der Druckraum der 3D-Vorrichtung als geschlossenes beheizbares Ofenelement ausgebildet ist, wobei dieses Ofenelement insbesondere dadurch beheizt wird, dass dem Druckobjekt ein entsprechendes Heizelement zugeordnet ist, also das Druckbett insgesamt als beheizbare Platte ausgebildet ist. Da das Druckbett üblicherweise den unteren Abschluss des Druckraumes darstellt bzw. am Boden des Druckraumes angeordnet ist, ist durch die Beheizung des Druckbettes sichergestellt, dass von dem Druckbett entlang des auf diesem Druckbett nach und nach aufgebrachten Druckobjektes ein Warmluftschleier mit einer definierten Temperatur nach oben steigt, so dass die Erstarrungsprozesse nach dem Auftrag des erhitzten Druckmaterials zur Ausbildung des Druckobjektes zumindest im Wesentlichen unter Einhaltung einer definierten Temperatur bzw. eines definierten Temperaturverlaufes ablaufen.
In abermals vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung, ist der Heizvorrichtung ein Temperaturregler zugeordnet, so dass wahlweise ein definierter Temperaturverlauf während des Druckvorganges oder eine konstante Temperatur im Druckraum während eines Druckvorganges regelbar ist.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ausführung in Verbindung mit einem perforierten Druckbett hat es sich bewährt, wenn die die Perforation des Druckbettes ausbildenden Löcher in ihrem dem Druckobjekt zugewandten Öffnungsbereich, also auf der Oberseite des erwähnten Druckbettes, jeweils mit Hinterschneidungen versehen sind, so dass das flüssige, in einer ersten Schicht auf das Druckbett aufgebrachte Druckmaterial bestimmungsgemäß zumindest teilweise in diese Löcher eindringt. Dies bewirkt eine Verklammerung des Druckobjektes mit dem Druckbett und dient somit einer besseren Anhaftungen des Druckobjektes auf dem Druckbett, so dass gegebenenfalls bei dieser Ausführung auf die ansonsten erforderlichen Adhäsionsmittel verzichtet werden kann, was insbesondere bei Druckvorgängen betreffend im medizinischen Bereich eingesetzter Druckobjekte von Vorteil ist. Nach Abkühlung des Druckobjektes, können die Druckobjekte gleichwohl leicht von dem Druckbett wieder gelöst werden.
In alternativer Ausgestaltung kann das Druckbett auch als geschlossene Druckplatte ausgebildet sein, der aber ein perforierter Druckschlauch, der oberhalb des Druckbettes angeordnet ist, zugeordnet ist, wobei der perforierte Bereich des erwähnten Druckschlauches so positioniert ist, dass er in Richtung des Druckobjektes ausgerichtet ist, mithin durch den auf das Druckbett aufgebrachten Druckschlauch wiederum eine definierte Temperatur innerhalb des Druckraumes, insbesondere im Bereich des Druckobjektes, oder ein definierter Temperaturverlauf während des Druckvorganges einstellbar ist. Hierzu kann analog der vorstehend beschriebenen Ausführung der Druckschlauch mit einer Heißluftleitung strömungsverbunden sein, die wiederum mit einer Pumpe versehen ist und vorzugsweise um einen Temperaturregler ergänzt ist, so dass eine echte Temperaturregelung des in dem Druckraum stattfindenden Druckprozesses auch in Verbindung mit dieser Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung sichergestellt ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung wird die Druckvorrichtung gemäß Anspruch 6 mit Druckmaterialien aus teilkristallinen Polymeren, vorzugsweise sogenannten PEEK (Polyetheretherketon)-Filamenten, also in Verbindung mit polylactiden Kunststoffen betrieben, weil es sich hierbei um teilkristalline Polymere mit einer amorphen Struktur handelt, die durch die herangeführte Kaltluft und den insoweit bewirkten Abschreckungseffekt erhalten bleibt, so dass auf diesem Wege ein Bauteil erzeugt werden kann, das insgesamt eine amorphe Struktur besitzt, zwar weniger Steifigkeit aufweist dafür aber einen geringeren Verzug beim Drucken bringt.
Darüber hinaus hatte sich in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung bewährt, wenn die Anströmgeschwingkeit zum Aufbau des Luftschleiers nicht nur in Abhängigkeit davon eingestellt wird, den im Zusammenhang mit dem 3D-Druck nach Möglichkeit zu vermeidenden oder zu reduzierenden Warp-Effekt auszurichten, sondern vielmehr sollte der durch die Ansteuerung des Druckobjektes erzeugte Überdruck neben der thermischen Isolierung auch eine Isolierung zur Meidung eines Luftaustausches mit den äußeren Schichten des in dem Druckraum eingeschlossenen Luftvolumens herstellen, so dass auch hierdurch die Sterilität des Druckvorganges und damit auch der auf diesem Wege hergestellten Druckobjekte gewahrt ist.
In abermals vorteilhafter Ausgestaltung ist der 3D-Druckvorrichtung ein separates Ofenelement nachgeschaltet oder der Druckraum der 3D-Druckvorrichtung selber als geschlossenes beheizbares Ofenelement ausgebildet, so dass hierdurch eine Wärmenachbehandlung des im Wege des 3D-Druck-Verfahrens hergestellte Druckobjekt ermöglicht ist. Auch dies ist ein Beitrag zu einer höheren Festigkeit, insbesondere aufgrund der hierdurch erzielten höheren Homogenität des mithilfe der erfindungsgemäßen Druckvorrichtung hergestellten Druckobjektes, da nicht, wie bei herkömmlichen Druckverfahren, ein Auskristallisieren jeder einzelnen Schicht des Druckobjektes für sich erfolgt, sondern vielmehr ein Kristallisieren über mehrere Schichten, idealerweise durch das gesamte Druckobjekt hinweg, erfolgt. Insgesamt wird durch die mittels der Wärmenachbehandlung realisierte langsame Kristallisation des Druckobjektes ein höherer Kristallisationsgrad erreicht, was durch die erwähnte Wärmenachbehandlung ermöglicht bzw. unterstützt wird.
Dabei wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Ausgestaltung unter Verwendung eines Druckmaterials aus teilkristallinen Polymeren, vorzugsweise unter Verwendung eines PEEK (Polyetheretherketon)-Filamentes betrieben, das in an sich bekannter Weise über eine der 3D-Druckvorrichtung zugeordnete Filamentspule über einen Extruder dem Druckknopf zugeführt
In alternativer Ausgestaltung kann das Druckbett auch als geschlossene Druckplatte ausgebildet sein, der aber ein perforierter Druckschlauch, der oberhalb des Druckbettes angeordnet ist, zugeordnet ist, wobei der perforierte Bereich des erwähnten Druckschlauches so positioniert ist, dass er in Richtung des Druckobjektes ausgerichtet ist, mithin durch den auf das Druckbett aufgebrachten Druckschlauch wiederum eine definierte Temperatur innerhalb des Druckraumes, insbesondere im Bereich des Druckobjektes, oder ein definierter Temperaturverlauf während des Druckvorganges einstellbar ist. Hierzu kann analog der vorstehend beschriebenen Ausführung der Druckschlauch mit einer Heißluftleitung strömungsverbunden sein, die wiederum mit einer Pumpe versehen ist und vorzugsweise um einen Temperaturregler ergänzt ist, so dass eine echte Temperaturregelung des in dem Druckraum stattfindenden Druckprozesses auch in Verbindung mit dieser Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung sichergestellt ist.
Die erfindungsgemäße 3D-Druckvorrichtung kann insbesondere mit Vorteil zur Herstellung steriler Druckobjekte aus einem medizinischem Druckmaterial, etwa PEEK oder „medizinischem Stahl“ hergestellt werden. Um die Sterilität der eingesetzten Materialien zu wahren, kann zum Einen eine geschlossene Materialzuführung aus einer steril verpackten Materialkartusche über einen sterilen Extruder erfolgen, wobei dann im Weiteren das im Drucker angeordnete Druckbett, das wiederum beheizbar ausgebildet ist, aus medizinischem Stahl gefertigt ist, um auch in diesem Bereich die Sterilität zu wahren. Zum anderen kann die Sterilisation des Druckmaterials auch während der eigentlichen Druckprozesse beim Durchlaufen der Düse bei hohen Temperaturen geschehen. In Verbindung mit dem vorstehend erläuterten Druckverfahren in Verbindung mit einem um das Druckobjekt herum aufsteigenden Warmluftschleier ist insbesondere bei Druckobjekten für medizinische Anwendungen sichergestellt, dass diese in einer kontrollierten und sauberen Atmosphäre hergestellt werden.
In vorteilhafte Ausgestaltung handelt es sich gemäß Anspruch 8 bei den eingesetzten sterilen Druckmaterialien um biokompatible Kunststoffe.
In konkreter Ausgestaltung umfasst der Druckkopf der erfindungsgemäßen 3d-Druckvorrichtung auf der Seite des zugeführten Druckmaterials ein so genanntes Coldend, dass erforderlichenfalls gekühlt sein kann um ein vorzeitiges an Schmerzen des zugeführten. Materials zu vermeiden. Auf der dem Druckobjekt zugewandten Seite des Druckkopfes, die in einer Düse zum Auftrag des Druckmaterials auf das jeweilige Druckobjekt Mündelgeld befindet sich ein so genannte Hotend, dass von dem vorstehend erwähnte Coldend durch ein dazwischen angeordnetes so genanntes Heatbreak zur thermischen Abgrenzung dieser beiden Bereiche abgegrenzt ist, wobei dieses heiße Ende des Druckkopfes zur Verflüssigung des zugeführten Druckmaterials dient. Hierzu ist diesem Bereich eine entsprechende Heizung zugeordnet.
Die erfindungsgemäße 3D-Druckvorrichtung soll ausdrücklich auch zur Herstellung von im medizinischen Bereich eingesetzten Produkten also etwa zur Herstellung von Prothesen und anderen medizinischen Produkten eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, dass der vorstehend erläuterte Druckkopf in diesem Falle vollständig aus medizinischem Stahl hergestellt ist und bedarfsweise ohne weiteres ausgewechselt werden kann, erforderlichenfalls sogar nach Abschluss eines jeden einzelnen Druckvorganges.
In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass das Druckmaterial im Bereich. Des Hotend des Druckkopfes bis zu einer Temperatur von zumindest 500 °C verflüssigt werden kann, so dass in diesem Bereich schon allein aufgrund dieser Temperaturen auf jeden Fall die erforderliche Sterilität gewahrt ist.
Bedarfsweise kann dem Austrittsbereich des Druckkopfes eine zusätzliche Kaltluftdüse zugeordnet sein, um hierdurch ein schnelleres ausfertigen des zugeführten Druckmaterial im Sinne eines Abschleppens zu erreichen, wodurch die amorphe Struktur des zugeführten Druckmaterials auch in dem auf diesem Wege erzeugten Druckobjekt erhalten bleibt.
Darüber hinaus kann es sinnvoll sein, dem Druckraum der 3-D Druckvorrichtung ein Ofenelement nach zu schalten, in den das vorläufig festgestellte Druckobjekt eingebracht wird, um eine Wärmenachbehandlung des Druckobjektes zu ermöglichen. Hierdurch kann gezielt die Ausbildung kristalliner Gebiete gefördert werden, so dass das Druckobjekt insgesamt in einen teilkristallinen Zustand übergeht, der eine höhere Festigkeit des auf diesem Wege hergestellten Druckobjektes bewirkt. Für den Fall, dass das in dem Druckraum angeordnete Druckobjekt als beheizbare Platte ausgebildet ist, kann die vorstehend erläuterte Nachbehandlung des Druckobjekt des auch innerhalb des Druckraumes erfolgen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger in der Zeichnung nur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert:
Es zeigen:

1: Eine 3D-Druckvorrichtung mit einem nachgeschalteten Ofenelement in einer Seitenansicht als Prinzipskizze,
2: eine weitere 3D Druckvorrichtung mit integriertem Ofenelement in einer Seitenansicht als Prinzipskizze,
3: eine weitere 3D-Druckvorrichtung mit einem temperaturgeregelten Luftstrom,
4: eine abweichende 3D-Druckvorrichtung ebenfalls mit einem temperaturgeregelten Luftstrom in einer Seitenansicht als Prinzipskizze,
5: eine Detail-Seiten-Schnittansicht des Druckobjektes einer anderen 3D Druckvorrichtung und
6: eine weitere Ausführung einer 3D-Druckvorrichtung mit perforiertem Druckbett zur Anfertigung steriler Druckobjekte in einer Seitenansicht als Prinzipskizze.

1 zeigt in einer Prinzipskizze eine Seitenansicht einer 3D-Druckvorrichtung 1 mit einem beweglich gelagerten Druckkopf 3, der in einem offenen Druckraum 2 angeordnet ist. Der Druckkopf 3 kann in alle 3 Raumachsen mittels eines in 1 nicht weiter dargestellten elektromotorischen Antriebs bewegt werden, also nach vorne, nach hinten, nach rechts und nach links, sowie nach oben und nach unten.
Auch sind Kombinationen möglich, bei der sich der Druckkopf 3 vor und zurück und das Druckbett 5 nach und oben und unten bewegt. Es sind mehrere Kombinationen des Bewegungsablaufs denkbar.
Dabei besteht der Druckkopf 3 aus einer Einführöffnung 8 durch die das Druckmaterial, vorzugsweise in Form eines Filamentfadens 7, zugeführt wird, das dann am Ende des Druckkopfes 3 über eine sogenannte heiße Düse, den sogenannten Extrusionskopf 4, als flüssige Schicht auf das unterhalb des Druckkopfes 3 angeordnete Druckobjekt 20 aufgetragen und anschließend bestimmungsgemäß aushärtet.
Dabei wird das Filament 7 in an sich bekannter Weise von einer dem Druckraum 2 zugeordneten Filamentspule 10 gewickelt und über eine Vorschubeinrichtung, also einen Extruder 6, dem Druckkopf 3 zugeführt. Dabei wird das verflüssigte Filament 7 auf das Druckobjekt 20, das auf einem austauschbaren Druckbett 5 nach und nach schichtweise aufgetragen. Dabei ist dem Druckbett 5 unterseitig eine beheizte Platte 9 zugeordnet ist. Die beheizte Platte 9 bewirkt, dass entlang des Druckobjektes 20 bestimmungsgemäß ein sich ausbreitender Wärmeluftschleier aufsteigt, welcher ein allmähliches und nicht sofortiges Aushärten des aufgetragenen Druckmaterials ermöglicht. Der das Druckobjekt 20 umströmende warme Luftstrom bewirkt mit vergleichsweise geringem Energieaufwand die Aufrechterhaltung einer möglichst konstanten Temperatur innerhalb des Druckobjektes 20.
Weiterhin enthält der in 1 dargestellte 3D-Drucker eine Kaltluftdüse 11, die sich zwischen der Mündung des Extrusionskopfes 4 und der Oberfläche des darunter angeordneten Druckobjektes 20 gegenwärtigen Druckbereichs befindet, welche zur Abkühlung oder Abschreckung des in diesem Bereich soeben aufgetragenen Druckmaterials angeordnet ist. Diese Kaltluftdüse 11 wird mittels einer Kaltluftleitung 13, in der eine Kühlpumpe 12 zur Beförderung der Kaltluft angeordnet ist, mit kalt ausströmender Luft bestimmungsgemäß beschickt. Diese Lösung ist insbesondere in Verbindung mit semikristallinen Kunststoffen, wie etwa PEEK, von Interesse, die eine amorphe Struktur haben, die während des Aushärtens beim Abkühlen in eine kristalline Struktur übergeht, was zum einen mit einem unerwünschten Materialschwund und einer entsprechenden Neigung zum Verzug für das Druckobjekt 20 verbunden ist, während bei einem schnellen Aushärten im Sinne eines Abschreckens die amorphe Struktur erhalten bleibt, was sich im Ergebnis in einer veränderten Eigenschaften des Druckobjektes 20 ausdrückt. Das Aufrechterhalten der amorphen Struktur innerhalb des Druckobjektes 20 hat darüber hinaus den Vorteil, dass der ansonsten übliche Verzug in dem jeweiligen Bauteil, also innerhalb des Druckobjektes 20, ebenfalls vermieden werden kann. Im Übrigen verbinden sich die amorphen Strukturen auch besser mit den darunter bereits angeordneten einzelnen Schichten des Druckobjektes 20.
Wie ebenfalls in 1 dargestellt ist, ist dabei der 3D-Druckvorrichtung 1 bestimmungsgemäß ein Ofenelement 14 nachgeschaltet, in den das vorläufig fertig gestellte Druckobjekt 20 eingebracht wird, wobei die Aufstellfläche 35 von einem Heizelement 15 untergriffen ist. Dabei sind die Wandelemente des nachgelagerten Ofenelementes 14 mit einer Isolierfüllung 36 versehen, so dass innerhalb des Ofenelementes 14 eine möglichst gleichbleibende erhöhte Temperatur bei vergleichsweise geringem Energieeinsatz gehalten werden kann, also eine Wärmenachbehandlung des Druckobjektes 20 in dem nachgelagerten Ofenelement 14 erfolgt, so dass sich innerhalb des Druckobjektes 20 bestimmungsgemäß kristalline Gebiete ausbilden, also das Druckobjekt 20 in einen teilkristallinen Zustand übergeht, der dem Druckobjekt 20 eine höhere Festigkeit verleiht. Im Unterschied zu nicht temperaturgeführten 3D-Druckverfahren , bei denen das schichtweise aufgetragene Druckmaterial Schicht für Schicht aushärtet, also eine schichtweise Kristallisation erfolgt, bewirkt die erfindungsgemäße Lösung ein Auskristallisieren innerhalb des Druckobjektes 20 über diese Schichten hinweg. Dies bedeutet im Ergebnis nichts anderes als eine höhere Festigkeit und damit Belastbarkeit des auf diesem Wege hergestellten Druckobjektes 20.
2 zeigt eine alternative 3D-Druckorrichtung 1, die aber ebenfalls dazu geeignet ist, Druckvorgänge mit semikristallinen Kunststoffen in einem amorphen Zustand zu realisieren, bei denen anschließend, wie vorstehend beschrieben, bewusst eine Nachkristallisierung durchgeführt wird.
In diesem Falle sind die 3D-Druckvorrichtung 1 und das nachgelagerte Ofenelement 14 in einer gemeinsamen Vorrichtung zusammen gefasst. Nach abgeschlossenem Druckvorgang wird das vorläufig fertig gestellte Druckobjekt 20, das während des Druckvorganges mitsamt Druckbett 5 auf einem Heizelement 15, hier in Form einer Heizplatte, angeordnet war, in das Ofenelement 14 bewegt. Der vorangegangene Druckvorgang wurde unter Zuführung von Kaltluft im Druckbereich vollständig unter Beibehaltung der amorphen Struktur des zugeführten Druckmaterials durchgeführt. Anschließend wird das Druckobjekt 20 mit dem Druckbett 5 in das Ofenelement 14 zum Zwecke der Temperaturnachbehandlung in einer hier nicht zu interessierenden Weise bewegt. Dabei ist das Ofenelement 14 nach dem vollständigen Einbringen des Druckobjektes 20 mitsamt Druckbett 5 verschließbar. Anschließend kann die vorstehend erläuterte Wärmenachbehandlung des Druckobjektes 20 zum Zwecke des definierten Auskristallisierens innerhalb des Druckobjektes 20 erfolgen.
Eine abermals abweichende Ausführung einer 3D-Druckvorrichtung 1 ist in 3 dargestellt. Diese 3D-Druckvorrichtung 1 hat mit den vorher erläuterten Vorrichtungen gemein, dass auch hier einem Druckkopf 3 ein von einer Filamentspule 10 abgewickeltes Filament 7 über einen Extruder 6 zugeführt wird, wobei das Druckmaterial über eine Einführöffnung 8 durch den Druckkopf 3 zu einer heißen Düse, dem Extrusionskopf 4, gelangt und dann als oberste weitgehend oder vollständig flüssige Schicht auf die Oberfläche eines mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung herzustellenden Druckobjektes 20 aufgetragen wird.
Dabei unterscheidet sich die Vorrichtung gemäß 3 von der vorstehend erläuterten Ausführung der Erfindung gemäß den 1 und 2 dadurch, dass im Bereich des Druckkopfes 3 zusätzlich eine Absaugvorrichtung 23 angeordnet ist. Über diese Absaugvorrichtung 23 wird ein warmer bzw. heißer Luftstrom, der durch das im Falle der Ausführung gemäß 3 perforierte Druckbett 5 aus dem Druckraum 2 derart abgezogen, dass erneut ein warmer bzw. heißer Luftstrom im Sinne einer Temperaturbehandlung an dem in dem Druckraum 2 aufgenommenen Druckobjekt 20 vorbei strömt und insoweit für eine konstante Temperatur des Druckobjektes 20 während des Druckvorganges sorgt. Dabei wird die durch die Perforation des Druckbettes 5 ausströmende erhitzte Luft über eine Heißluftleitung 21 zunächst einer unterhalb des perforierten Druckbettes 5 angeordneten Hohlkammer 36 zugeführt, um durch die insoweit bewirkte Verteilung der anstehenden Luft innerhalb der Hohlkammer 36 für eine gleichmäßige Druckverteilung innerhalb der Hohlkammer 36 und damit für einen gleichmäßig entlang des Druckobjektes 20 aufsteigenden Luftschleier zu sorgen, der im Ergebnis über die vorstehend erläuterte Absaugvorrichtung 23 abgezogen wird. Dabei wird die oberhalb des Druckobjektes 20 abgezogene Luft wiederum in die Heißluftleitung 21 eingespeist und über eine in diese Leitung integrierte Heizpumpe 17 einem Heizelement 22 zur Erwärmung bzw. Erhitzung der transportierten Luft zugeführt, wobei das Heizelement 22 mit einem Temperaturregler 24 in Verbindung steht, der für eine konstante Temperatur bzw. einen konstanten Temperaturverlauf innerhalb des Druckraums 2 sorgt.
Im Unterschied zu den Ausführungen gemäß 1 und 2 wird der das Druckobjekt 20 umströmende Warmluft- bzw. Heißluftschleier also nicht durch die Beheizung des Druckbettes 5 erzeugt, der bewirkt, dass die Luft infolge der Konvektion entlang des Druckobjektes 20 aufsteigt, sondern vielmehr wird hier der Luftschleier aktiv durch eine in die Heißluftleitung 21 integrierte Heizpumpe 17 in Verbindung mit der Absaugvorrichtung 23 erzeugt, wobei über die Absaugvorrichtung 23 die resultierende Abwärme im Prozess gehalten wird. Die Heizvorrichtung 22 ist mit einer Temperaturregelung 24 verbunden, deren Sensoren vorzugsweise am Druckbett 5 angeordnet sind.
In einer abermals alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung kann die Temperatursteuerung des entlang des Druckobjektes 20 entlang gleitenden Luftschleier während des Druckvorganges auch ohne ein perforiertes Druckbett 5 derart realisiert werden, dass auf dem Druckbett 5, das vorzugsweise erneut von einer beheizbaren Platte als Heizelement 15 untergriffen ist, ein perforierter Ringschlauch 25 derart angeordnet ist, dass die Perforation des Ringschlauches 25 nach innen, also in Richtung des von dem Ringschlauch 25 umgriffenen Druckobjektes 20, weist. Dabei ist der Ringschlauch 25 mit der Heißluftleitung 21 verbunden, die dem Ringschlauch 25 mittels der Heizpumpe 17 über das Heizelement 22, das in Wirkverbindung mit dem Temperaturregler 24 steht, derart in Verbindung steht, dass dem Ringschlauch 25 permanent erhitzte bzw. erwärmte Luft zugeführt wird, die dann aus dem Perforationsbereich des Ringschlauches 25 in Richtung des Druckobjektes 20 ausströmt und in Form eines Luftschleiers entlang dem Druckobjekt 20 nach oben steigt, bevor sie im Bereich des Druckkopfes 3 mithilfe der Absaugvorrichtung 23 abgezogen und erneut unter Ausnutzung der Abwärme in die Heißluftleitung 21 eingespeist wird. Dabei erlaubt die Verwendung eines flexiblen Ringschlauches 25 eine individuellere Anpassung an das jeweilige Druckobjekt 20 und damit eine bessere Ausrichtung des mithilfe des Ringschlauchs 25 erzeugten Luftschleiers, der während des Druckvorganges das Druckobjekt 20 umgibt.
Eine alternative Ausgestaltung des perforierten Druckbettes ist in 5 dargestellt. Gemäß der Darstellung in 5 sind die einzelnen Löcher der Perforation des Druckbettes 5 jeweils mit einer Hinterschneidung 37 derart versehen, dass beim Auftrag der ersten Schicht des Druckmaterials zur Herstellung eines Druckobjektes 20 mithilfe des Extrusionkopfes 4 des Druckkopfes 3 zumindest Teile dieses Druckmaterials durch die Perforation in den Bereich der Hinterschneidungen 37 eindringt und in diesen aushärtet, mithin die erste Schicht des Druckobjektes 20 mit dem Druckbett 5 in eine lösbare Verbindung eintritt, in dem die erste bzw. unterste Schicht des Druckobjektes 20 in eine Verklammerung mit dem perforierten Druckbett 5 eintritt, die aber nach abgeschlossenem Druckvorgang leicht wieder gelöst werden kann. Hierdurch ist eine sichere Positionierung des Druckobjektes 20 auf dem Druckbett 5 gesichert. Dies bedeutet gleichzeitig, dass auf den Einsatz der ansonsten in diesem Bereich üblichen Adhäsionsmittel vollständig verzichtet werden kann, was insbesondere in Verbindung mit der Herstellung von sterilen Druckobjekten unbedingt wünschenswert ist.
Dementsprechend betrifft die letzte Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung gemäß 6 auch die Herstellung eines sterilen Druckobjektes 20, also beispielsweise eines Implantates. Dieses Implantat ist auf einen perforierten Druckbett 5, dessen Oberfläche aus medizinischem Stahl oder einem anderen geeigneten medizinischen Material besteht angeordnet, wobei unterhalb des Druckbettes 5 erneut ein Heizelement 15 angeordnet ist. Wie bereits erläutert, ist dabei die Perforation des Druckbettes 5 gemäß der Darstellung in 5 mit Hinterschneidungen 37 versehen, die es erlauben, eine sichere aber lösbare Verbindung zwischen dem Druckobjekt 20 und dem Druckbett 5 herzustellen, ohne dass hierzu Zusatzmittel wie beispielsweise Adhäsionsmittel benötigt werden.
Das sterile Druckmaterial, also beispielsweise PEEK, medizinischer Stahl oder biokompatible Kunststoffe, wird zum Einen von einer steril verpackten Materialkartusche 38 in der wiederum eine in 6 nicht weiter dargestellte Filamentspule mit dem sterilen Druckmaterial angeordnet ist, abgewickelt und über eine geschlossene Materialführung 40, die ihrerseits ebenfalls aus einem sterilisierbaren Material besteht, über einem ebenfalls sterilisierbaren Extruder 6 dem Druckkopf 3 zugeführt. Zum anderen müssen die verwendeten Materialien nicht zwangsläufig bereits sterilisiert sein, da diese beim Durchtreten der heißen Düse sterilisiert werden. Der Druckkopf 3 ist mit den vorstehen erläuterten Ausführungen identisch. Die darin enthaltene Düse liegt in 3 Zonen des Druckkopfes 3, einer Kühleinheit, einem Coldend 41, die zur Abschreckung des zugeführten Materials dient, einer Übergangszone in der Mitte, dem Heatbreak, also einem thermischen Sperrelement 34 und ein in den Druckkopf 3 integriertes Hotend 42, in welches das Druckmaterial nachschiebend zugeführt wird und anschließend durch den nachfolgend angeordneten Extrusionkopf 4 austritt und als jeweils oberste Schicht auf das unterhalb des Extrusionkopfes 4 angeordnete Druckobjekt 20 aufgetragen wird. Dabei sind das Coldend 41 und das Hotend 42 des Druckkopfes 3 durch das erwähnte thermische Sperrelement 34 thermisch voneinander entkoppelt.
Bezugszeichenliste

1: 3D-Druckvorrichtung
2: Druckraum
3: Druckkopf
4: Extrusionskopf
5: Druckbett
6: Extruder
7: Filament
9: beheizte Platte
10: Filamentspule
11: Düse
12: Kühlpumpe
13: Kalt-Luftleitung
14: Ofenelement
15: Heizelement
17: Heizpumpe
20: Druckobjekt
21: Heißluftleitung
22: Heizvorrichtung
23: Absaugvorrichtung
24: Temperaturregler
25: Druckschlauch
26: Hinterschneidungen
30: Materialkartusche
31: Materialzuführung
32: Kühlungsvorrichtung
33: Heizelement
34: Heatbreak
35: Aufstellfläche
36: Hohlkammer
37: Hinterschneidung
38: Materialkartusche
40: Materialführung
41: Coldend
42: Hotend
43: Lösungsanlage
44: Sinterungsanlage
45: Grünkörper
46: Braunling
47: Fertiges Bauteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0431924 B1 [0002]

Claims

3D-Druckvorrichtung (1), umfassend einen geschlossenen oder offenen Druckraum (2), der unterseitig von einem Druckbett (5) begrenzt ist, wobei in dem Druckraum (2) ein vorzugsweise in alle drei Raumachsen, vorzugsweise elektromotorisch bewegbarer, Druckkopf (3) angeordnet ist, der unterseitig von wenigstens einem Extrusionskopf (4) abgeschlossen ist, wobei diesem Druckkopf (3) über wenigstens einen Extruder (6) ein fadenförmiges Filament (7), vorzugsweise ein Druckmaterial aus teilkristallinen Polymeren, etwa ein PEEK Filament, zuführbar ist, das von einer außerhalb oder innerhalb des Druckraumes (2) angeordneten Filamentspule (10) abspulbar ist, zuführbar ist, wobei dem Austrittsbereich des Extrusionskopfes (4) eine korrespondierend mit dem Extrusionskopf (4) bewegliche Düse (11) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf das Druckbett (5) aufzubringendes Druckobjekt (20) zeitweise oder ständig von einem warmen Luftschleier derart eingehüllt ist, dass das Druckobjekt (20) durch diesen Luftschleier thermisch isoliert ist, wobei der das Druckobjekt (20) umhüllende Luftschleier dadurch erzeugt wird, dass das Druckbett (5) perforiert ausgebildet ist, und diesem perforierten Druckbett (5) mittels einer Heizpumpe (17) über eine Heißluftleitung (21) von der dem auf dem Druckbett (5) aufgedruckten Druckobjekt (20) abgewandten Seite heiße Luft zugeführt wird und /oder auf dem in diesem Fall ggf. geschlossen ausgebildeten Druckbett (5) ein zumindest abschnittsweise perforierter Druckschlauch (25) und/oder eine oder mehrere Heißluftdüsen, die jeweils ebenfalls über eine oder mehrere Heißluftleitungen (21) mit der Heizpumpe (17) strömungsverbunden sind, das Druckobjekt (20) derart in einem definierten Strömungswinkel angeströmt wird, dass das Druckobjekt (20) von dem Luftschleier eingehüllt ist.
3D-Druckvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Druckbett (5) eine Heizpumpe (17) derart zugeordnet ist, dass die mit der Heizpumpe (17) geförderte Heißluft vor der Zuleitung zu dem Druckbett (5) durch eine Heizvorrichtung (22) strömt, wobei die mittels der Heizpumpe (17) geförderte Heißluft durch einen Heißluftleitung (21) durch eine oberhalb des Druckbereiches dem Druckkopf (3) zugeordnete Absaugvorrichtung (23) derart abgesaugt wird, dass die Heißluft in einem dem Druckraum (2) zugeordneten Kreislauf geführt ist.
3D-Druckvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizvorrichtung (22) ein Temperaturregler (24) zugeordnet ist.
3D-Druckvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforation des perforierten Druckbetts (5) derart ausgebildet ist, dass die die Perforation des Druckbettes (5) ausbildenden Löcher in ihrem dem Druckobjekt (20) zugewandten Öffnungsbereich jeweils mit Hinterschneidungen (26) versehen sind.
3D-Druckvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf das, vorzugsweise als beheizbare geschlossene Platte, ausgebildete Druckbett (5) ein zumindest bereichsweise perforierter Druckschlauch auf das Druckbett (5) derart aufgesetzt oder aufgeklebt ist, dass dieser Druckschlauch (25) ein auf das Druckbett (5) aufzubringendes Druckobjekt (20) derart umgreift, dass der Perforationsbereich des Druckschlauches (25) in Richtung des Druckobjektes (20) weist, wobei dieser Druckschlauch (25) im Übrigen mit einer Heißluftleitung (21), vorzugsweise ergänzt um einen Temperaturregler (24), analog dem geltenden Anspruch 3 verbunden ist.
3D-Druckvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche einzelnen Bestandteile der 3D-Druckvorrichtung (1), insbesondere der Druckkopf (3), jeweils sterilisierbar und leicht auswechselbar sind, wobei dem sterilisierten Druckkopf (3) über einen sterilisierten Extruder (6) ein steriles Druckmaterial, etwa PEEK oder medizinischer Stahl, über eine geschlossene Materialzuführung, ebenfalls aus einem sterilisierbaren Material, wie etwa PEEK oder Teflon, aus einer steril verpackten Materialkartusche (30), umfassend eine Filamentspule (10) mit dem aufgewickelten sterilen Druckmaterial zuführbar ist und das ggf. perforierte Druckbett (5), dem eine Heizplatte zugeordnet ist, die aus medizinischem Stahl oder aus anderen geeigneten medizinischen Materialien gefertigt ist.
3D-Druckvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass die mit der Heizpumpe (17) realisierte Anströmgeschwindigkeit zum Aufbau des das Druckobjekt (20) umgebenden Luftschleiers jeweils derart einstellbar ist, dass aufgrund des resultierenden Überdrucks eine Abschottung des Druckobjektes (20) gegenüber der Umgebung derart realisiert ist, das insbesondere in Verbindung mit der Herstellung von medizinischen Produkten jeweils eine kontrollierte und saubere Atmosphäre um das jeweilige Druckobjekt (20) herum sichergestellt ist.
3D-Druckvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem sterilen Druckmaterial um biokompatible Kunststoffe handelt.
3D-Druckvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der geltenden Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf (3) in Zuführrichtung des Druckmaterials ein Coldend (41) zur Verhinderung eines vorzeitigen Anschmelzens des zugeführten Druckmaterials, ein Heatbreak (34) zur thermischen Isolierung und ein Hotend (42) zur Verflüssigung des zugeführten Druckmaterials umfasst.
3D-Druckvorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Druckkopf (3) zugeordnete bewegliche Düse (11) vollständig aus medizinischem Stahl oder aus anderen geeigneten medizinischen Materialien hergestellt und auswechselbar ist.
3D-Druckvorrichtung (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Hotend (42) das Druckmaterial mit einer Temperatur von zumindest 500 Grad Celsius verflüssigbar ist.
3D-Druckvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Austrittsbereich des Druckkopfes (3) für das verflüssigte Druckmaterial eine Kaltluftdüse (11), der mittels einer außerhalb des Druckraumes (2) angeordneten Kühlpumpe (12) über eine, vorzugsweise beweglich gelagerte, Kaltluftleitung (13) Kühlluft derart zuführbar ist, dass diese Kühlluft den unmittelbar unterhalb des Austrittsbereiches des Extrusionskopfes (4) angeordneten Druckbereich der 3D-Druckvorrichtung (1) überströmt.
3D-Druckvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der 3D-Druckvorrichtung (1) ein separates Ofenelement (14) nachgeschaltet ist oder der Druckraum (2) selbst als geschlossenes, beheizbares Ofenelement (14) ausgebildet ist, wobei das zur Beheizung des Ofenelementes (14) eingesetzte Heizelement (15) vorzugsweise unterhalb des Druckbettes (5) angeordnet ist bzw. das Druckbett (5) insgesamt als beheizbare geschlossene Platte ausgebildet ist.