DE102018127931A1 - Verfahren und Anlage zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur - Google Patents

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Yannis Grohmann
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur aus einem 3D-druckfähigen Kunststoffmaterial mittels einer 3D-Druckanlage, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Zuführen eines 3D-druckfähgien Kunststoffmaterials zu einem 3D-Druckkopf der 3D-Druckanlage und- Extrudieren des dem 3D-Druckkopf zugeführten Kunststoffmaterials aus einer Austrittsöffnung des 3D-Druckkopfes, um die dreidimensionale Struktur aus dem Kunststoffmaterial herzustellen,- wobei das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial mittels einer Heizvorrichtung der 3D-Druckanlage temperiert wird, wobei- dem 3D-Druckkopf ein elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial zugeführt wird,- wobei das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial während des Extrudierens mit wenigstens zwei Elektroden der Heizvorrichtung elektrisch kontaktiert wird, sodass sich zwischen den Elektroden in dem 3D-druckfähigen Kunststoffmaterial eine Heizstrecke ausgebildet wird, und- wobei mittels einer elektrischen Energieversorgung der Heizeinrichtung während des Extrudierens durch Anlegen einer elektrischen Spannung an wenigstens einer der Elektroden ein Stromfluss in der Heizstrecke des 3D-druckfähigen Kunststoffmaterials derart bewirkt wird, dass das Kunststoffmaterial dadurch temperiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur aus einem 3D-druckfähigen Kunststoffmaterial mittels einer 3D-Druckanlage. Die Erfindung betrifft ebenso eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens hierzu.
  • Mit Hilfe von generativen Verfahren lassen sich unter Verwendung eines entsprechenden Werkstoffes Bauteile mit einer fast beliebigen Form herstellen. Der 3D-Druck mit Hilfe eines 3D-Druckers stellt dabei einen sehr bekannten Vertreter der generativen Fertigungsverfahren dar. Dabei wird mit Hilfe eines 3D-Druckers schichtweise ein schmelzbarer Werkstoff, bspw. ein thermoplastischer Kunststoff, gedruckt, wodurch sich am Ende des Verfahrens ein dreidimensionales Bauteil bzw. eine dreidimensionale Struktur ergibt.
  • Üblicherweise wird hierbei das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial in einem festen Aggregatzustand, bspw. in Form von Kunststofffilamenten, dem 3D-Druckkopf zugeführt und durch einen Extruder geleitet, wo es dann mit Hilfe einer Heizeinrichtung über den Schmelzpunkt temperiert und somit aufgeschmolzen wird und unter Druck dann aus einer Austrittsöffnung des Extruders ausgegeben wird, um die dreidimensionale Struktur zu drucken. Beim Austreten des geschmolzenen Kunststoffmaterials kühlt dieses ab und verfestigt sich auf der Bauteiloberfläche.
  • Aus der US 2015/0147472 A1 ist eine solche 3D-Druckanlage bekannt, wobei einem Extruder dabei ein Kunststofffilament zugeführt wird. Der Extruder ist dabei in Form eines 3D-Druckkopfes beweglich gegenüber der Bauteiloberfläche angeordnet und weist eine Heizeinrichtung auf, um das Kunststofffilament über die Schmelztemperatur zu erwärmen. Das Aufheizen erfolgt dabei mittels entsprechender Heizelemente, die in dem Druckkopf angeordnet sind.
  • Aus der DE 10 2015 223 540 A1 ist ein 3D-Drucker zum Drucken von flüssigem Metall offenbart, wobei hier das Erwärmen des Metalls mit Hilfe einer Induktionsspule erfolgt.
  • Aus Hauke Prüß, Thomas Vietor: „Neue Gestaltungsfreiheiten durch 3D-gedruckte Faser-Kunststoff-Verbunde“, Forum für Rapid Technology, Ausgabe 12(2015) ist ein 3D-Druckkopf bekannt, dem ein quasiendloses Fasermaterial zugeführt wird. Des Weiteren wird dem 3D-Druckkopf mit Hilfe zweier Zuführkanäle ein Kunststoffmaterial zugeführt, wobei Fasermaterial und Kunststoffmaterial, welches durch eine Heizeinrichtung erwärmt und aufgeschmolzen wurde, 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.
  • Es hat sich gezeigt, dass durch eine Reduzierung des Gewichts derartiger 3D-Druckköpfe die Genauigkeit beim Drucken von druckfähigen Kunststoffmaterialien, wie bspw. Thermoplasten oder Duroplasten, verbessert werden kann, da durch die verringerte Trägheit die Ansetzpunkte genauer angefahren werden können. Durch die in den 3D-Druckköpfen integrierten Heizeinrichtungen, wie bspw. in Form von Induktionsspulen Pelletierelementen oder Thermoelementen basierend auf Widerstandsheizungen, wird jedoch ein hohes Gewicht in die 3D-Druckköpfe verlagert, wodurch die Trägheit vergrößert wird und die Genauigkeit verringert.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Herstellung dreidimensionaler Strukturen in einem 3D-Druckverfahren anzugeben, bei dem das Gewicht im 3D-Druckkopf reduziert werden kann und wobei dennoch das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial über die Schmelztemperatur temperiert werden kann, damit es durch den Extruder ausgegeben werden kann.
  • Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie der Anlage gemäß Anspruch 8 erfindungsgemäß gelöst.
  • Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur aus einem 3D-druckfähigen Kunststoffmaterial mittels einer 3D-Druckanlage vorgeschlagen, wobei die 3D-Druckanlage mindestens einen 3D-Druckkopf aufweist, dem das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial zugeführt wird. Der 3D-Druckkopf weist des Weiteren eine Extrudereinheit, kurz Extruder, auf, durch den das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial in der Regel temperiert und aufgeschmolzen wird und dann aus einer Austrittsöffnung des 3D-Druckkopfes ausgegeben wird. Vorteilhafterweise wird dabei das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial dem 3D-Druckkopf in fester Form zugeführt, bspw. in Form eines quasiendlosen Kunststofffilaments oder in Form von Granulat. Wird das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial in Granulatform dem 3D-Druckkopf zugeführt, so weist der Extruder in der Regel eine Schnecke auf, um das Kunststoffmaterial aus der Austrittsöffnung mit Hilfe der Extruderschnecke zu fördern.
  • Die 3D-Druckanlage, bevorzugt der 3D-Druckkopf, weist demzufolge eine Heizeinrichtung auf, um das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial zu temperieren. Dabei wird das Kunststoffmaterial in der Regel auf eine Temperatur aufgeheizt, die oberhalb der Schmelztemperatur liegt, sodass durch die Heizeinrichtung der 3D-Druckanlage bzw. des 3D-Druckkopfes das in fester Form zugeführte Kunststoffmaterial mit Hilfe der Heizeinrichtung temperiert und in einen geschmolzenen Zustand überführt werden kann.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist nun vorgesehen, dass dem 3D-Druckkopf ein 3D-druckfähiges Kunststoffmaterial zum Drucken zugeführt wird, welches elektrisch leitfähig ist und/oder elektrisch leitfähige Elemente enthält, wobei die Heizeinrichtung wenigstens zwei Elektroden aufweist, die so angeordnet sind, dass das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial während des Extrudierens bzw. während des Druckens mit den Elektroden elektrisch kontaktiert, sodass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an wenigstens einer Elektrode ein Stromfluss in dem 3D-druckfähigen Kunststoffmaterial bewirkt werden kann. Durch das Kontaktieren der Elektroden mit dem Kunststoffmaterial wird dabei zwischen zwei jeweils zugeordneten Elektroden eine Heizstrecke in dem Kunststoffmaterial definiert, innerhalb dessen der Stromfluss von einer Elektrode zu der jeweils entsprechend anderen Elektrode bewirkt wird, wobei aufgrund des Bestromens der durch zwei Elektroden definierten Heizstrecke in Art einer elektrischen Widerstandsheizung das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial temperiert wird. Dabei kann ein Stromfluss derart bewirkt werden, dass mit Hilfe der Temperierung das Kunststoffmaterial über die materialspezifische Schmelztemperatur erwärmt wird und so aufgrund des Bestromens in einen geschmolzenen Zustand überführt wird. Das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial weist dabei eine elektrische Leitfähigkeit auf. Dies kann dadurch realisiert werden, dass das Kunststoffmaterial von sich aus elektrisch leitfähig ist oder dass das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial zusätzliche, elektrisch leitfähige Elemente oder Materialien enthält, die dem Kunststoffmaterial eine elektrische Leitfähigkeit verleihen.
  • Die Erfinder haben dabei erkannt, dass ein solches elektrisch leitfähiges, 3D-druckfähiges Kunststoffmaterial insbesondere innerhalb eines 3D-Druckkopfes mit Elektroden derart kontaktiert werden kann, dass ein Stromfluss so in dem Kunststoffmaterial bewirkt wird, dass dieses sich aufwärmt und innerhalb des Druckkopfes schmilzt. Die Erfinder haben dabei insbesondere erkannt, dass die Elektroden dabei in die Düse des Extruders integriert werden können, um das Fasermaterial zu temperieren und entsprechend aufzuschmelzen.
  • Dabei wurde insbesondere auch erkannt, dass durch das Bestromen des Kunststoffmaterials zum Zwecke der Erwärmung in Art einer Widerstandsheizung herkömmliche Heizeinrichtungen, wie sie aus dem Stand der Technik für derartige 3D-Druckköpfe bzw. Druckverfahren bekannt sind, ersetzt werden können, wodurch insbesondere die Genauigkeit beim 3D-Drucken verbessert wird. Denn durch den Verzicht auf herkömmliche Heizvorrichtungen kann die bewegliche Masse des 3D-Druckkopfes reduziert werden, wodurch die Trägheit des Systems verringert und die Genauigkeit hierdurch erhöht werden kann.
  • Ein weiterer Vorteil bei dem direkten Aufheizen des Kunststoffmaterials mittels Bestromen in Art einer Widerstandsheizung besteht darin, dass der Temperatureintrag bzw. die Heizleistung sehr genau eingestellt werden kann, sodass Beschädigungen des Kunststoffmaterials aufgrund von Überhitzung vermieden werden kann und der Energiebedarf reduziert werden kann, da die zu temperierende thermische Masse grundsätzlich verringert wurde.
  • Der 3D-Druckkopf kann an einem Bewegungsautomaten der 3D-Druckanlage angeordnet sein, damit dieser im Raum frei bewegbar ist. Hierdurch lassen sich fast beliebige Strukturformen erzeugen. Denkbar ist aber auch, dass der 3D-Druckkopf fest im Raum angeordnet ist, wobei der Tisch bzw. die Oberfläche, auf den der 3D-Druckkopf druckt, beweglich relativ zu dem 3D-Druckkopf vorgesehen ist, sodass auch hier der 3D-Druckkopf an beliebigen Stellen auf dem Tisch drucken kann.
  • Unter einem 3D-druckfähigen Kunststoffmaterial werden jene Kunststoffmaterialien verstanden, die sich mit Hilfe von 3D-Druckköpfen drucken lassen. Dies sind insbesondere duroplastische und thermoplastische Kunststoffe. Die elektrische Leitfähigkeit des Kunststoffmaterials kann durch Zugabe von elektrisch leitfähigen Partikeln erfolgen, wie bspw. Graphit oder Graphen. Denkbar ist aber auch, dass das Kunststoffmaterial Kohlenstofffasern enthält, die dem Kunststoffmaterial hinzugefügt wurden. Derartige Kohlenstofffasern können dabei bspw. als quasiendlose Kohlenstofffasern vorliegen oder in Form von Kurzfasern. Denkbar sind auch Hybridgarne (Commingling Garne), die eine Mischung aus Kohlenstofffasern mit thermoplastischen Fasern enthalten und ebenfalls im Sinne der vorliegenden Erfindung ein 3D-druckfähiges, elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial ist. Denkbar ist letztlich aber auch, dass das elektrisch leitfähige Kunststoffmaterial kein Fasermaterial, wie bspw. Kohlenstofffasern, enthält.
  • Bei einem klassischen 3D-Druckverfahren wird dabei das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial durch Temperierung aufgeschmolzen und dann mit Hilfe eines Extruders extrudiert, wobei während des Extrudierens das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial im flüssigen Zustand ausgegeben wird. Dabei ist entscheidend, dass durch den kontinuierlichen Vorschub das Kunststoffmaterial auch kontinuierlich temperiert, aufgeschmolzen und ausgegeben wird.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Elektroden der Heizeinrichtung in dem 3D-Druckkopf, bevorzugter Weise in der Düse des Extruders, vorgesehen, sodass das Kunststoffmaterial erst kurz vor dem Extrudieren aus dem 3D-Druckkopf temperiert und aufgeschmolzen wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hierzu wird mittels einer Vorheizeinrichtung der 3D-Druckanlage das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Kunststoffmaterials temperiert, sodass es mit der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung basierend auf einer Art einer Widerstandsheizung schließlich von der Vorheiztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur temperiert werden muss. Das Vorheizen mit Hilfe der Vorheizeinrichtung kann dabei bspw. innerhalb des 3D-Druckkopfes erfolgen oder innerhalb von Anlagenteilen vor dem 3D-Druckkopf.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden innerhalb der Heizstrecke des 3D-druckfähigen Kunststoffmaterials, die durch wenigstens zwei voneinander beabstandet angeordneten Elektroden gebildet wird, dem 3D-druckfähigen Kunststoffmaterial zusätzliche Hilfswerkstoffe zugeführt. Dies kann bspw. in Form von Granulat, Pulver, Flüssigkeiten oder Gasen erfolgen. Derartige Hilfswerkstoffe können bspw. Zusatzfasern sein und sollen dabei eine Verbindung mit dem aufschmelzenden Kunststoffmaterial gehen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird mittels eines Temperatursensors die Temperatur des 3D-druckfähigen Kunststoffmaterials ermittelt, wobei mittels einer Steuereinrichtung die durch den Stromfluss reduzierte Heizleistung in der Heizstrecke in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur eingestellt wird. So kann während des Extrudierens und Temperierens des Kunststoffmaterials die angelegte elektrische Spannung variiert werden, wodurch der Stromfluss in der Heizstrecke variiert wird, was sich schließlich in einer Variation der Heizleistung niederschlägt.
  • Durch eine Erhöhung der elektrischen Spannung wird demzufolge die Heizleistung verstärkt, während durch eine Verringerung der elektrischen Spannung die Heizleistung reduziert wird. Diese Variation der Heizleistung erfolgt dabei in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur, um so das Kunststoffmaterial immer möglichst auf eine gleichbleibende Solltemperatur zu temperieren.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Heizeinrichtung mehr als zwei Elektroden auf, sodass mehr als eine Heizstrecke in dem 3D-druckfähigen Kunststoffmaterial gebildet wird. Die Heizstrecken können dabei direkt aneinandergrenzen oder räumlich getrennt vorliegen. So ist es denkbar, dass bei drei Elektroden zwei Heizstrecken gebildet werden, nämlich zwischen der ersten und der zweiten sowie zwischen der zweiten und der dritten. Denkbar ist auch, dass eine zusätzliche dritte Heizstrecke in dieser Konstellation gebildet wird, nämlich durch die erste und die dritte Elektrode. Die Anzahl der Elektroden und das Anordnen der Elektroden zur Bildung der Heizstrecke liegt dabei im Ermessen des jeweiligen Fachmannes.
  • Die Heizeinrichtung ist nun so ausgebildet, dass mittels der elektrischen Energieversorgung während des Extrudierens durch separates Anlegen einer elektrischen Spannung an den jeweiligen Elektroden ein Stromfluss in der jeweiligen Heizstrecke separat bewirkt werden kann. Das heißt, mit anderen Worten, jede Heizstrecke lässt sich separat durch die Heizeinrichtung ansteuern, sodass in jeder Heizeinrichtung separat ein Stromfluss bewirkt werden kann. Hierdurch kann gezielt die gewünschte Temperierung erfolgen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein Stromfluss in der jeweiligen Heizstrecke in Abhängigkeit von einem Temperierungsprofil bewirkt, wodurch sich ein gezielter Temperprozess einstellen lässt. Aufgrund der Direktheizung des Kunststoffmaterials in Art einer Widerstandsheizung lassen sich relativ kurze Schaltzeiten von wenigen Millisekunden realisieren, wobei auch eine zeitliche sowie räumliche Kaskadierung des Stromflusses möglich ist.
  • Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit der Anlage gemäß Anspruch 8 erfindungsgemäß gelöst, wobei die Anlage insbesondere ausgebildet ist, das vorstehend beschriebene Verfahren durchzuführen.
  • Dabei kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Elektroden zumindest einen Teil der Innenwandung einer Extruderdüse des Extruders bildet, bspw. in Form einer Ringelektrode. Bei einer Ringelektrode ist die gesamte Innenwandung an einer bestimmten Position vollständig durch die Elektrode bedeckt, sodass hier eine hinreichende Kontaktierung des Kunststoffmaterials mit der Elektrode gewährleistet werden kann. Denkbar ist aber auch, dass bei Zuführung eines Granulates der Extruder eine Extruderschnecke aufweist, um das Fasermaterial aus der Austrittsöffnung zu befördern, wobei hierbei die Extruderschnecke teilweise oder vollständig aus der Elektrode gebildet sein kann. So ist es denkbar, dass eine erste Elektrode in Vorschubrichtung vor der Extruderschnecke vorgesehen ist, während die zweite Elektrode die Extruderschnecke selber ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass spätestens beim Auftreffen des Kunststoffmaterials an der Extruderschnecke dieses im aufgeschmolzenen Zustand vorliegt.
  • Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 schematische Darstellung eines 3D-Druckkopfes in einer ersten Ausführungsform;
    • 2 schematische Darstellung eines 3D-Druckkopfes in einer zweiten Ausführungsform;
    • 3 schematische Darstellung eines 3D-Druckkopfes in einer dritten Ausführungsform;
    • 4 schematische Darstellung eines 3D-Druckkopfes in einer vierten Ausfürhungsform.
  • 1 zeigt einen 3D-Druckkopf 1, dem ein 3D-druckfähiges Kunststoffmaterial 2 zugeführt wird. Mit Hilfe von gegenüberliegenden Walzen 3, die sich in Richtung Kopfspitze 4 bewegen, wird das dem Druckkopf 1 zugeführte Kunststoffmaterial 2 in Richtung Kopfspitze 4 gefördert. An einer Austrittsöffnung 5 wird dann das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial 2 extrudiert und auf einem Substrat 6, bspw. einem Werkzeug, gedruckt.
  • Im Ausführungsbeispiel der 1 wird dabei das Kunststoffmaterial 2 in Form eines quasiendlosen Filaments in fester Form dem Druckkopf 1 zugeführt und innerhalb des Druckkopfes 1 dann aufgeschmolzen. Hierfür weist der Druckkopf 1 eine Heizeinrichtung 7 auf, mit der das Kunststoffmaterial 2 von dem festen Aggregatzustand in einen geschmolzenen bzw. flüssigen Aggregatzustand überführt wird.
  • Das Kunststoffmaterial 2 ist dabei ein elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial, wobei die Heizeinrichtung 7 im Ausführungsbeispiel der 2 zwei Elektroden 8a und 8b aufweist, die in Förderrichtung des Kunststoffmaterials 2 beabstandet angeordnet sind. Die beiden Elektroden 8a und 8b sind dabei im Druckkopf 1 so angeordnet, dass das Kunststoffmaterial 2 während des Extrudierens mit den beiden Elektroden 8a und 8b elektrisch kontaktiert. Zwischen den beiden beabstandet angeordneten Elektroden 8a und 8b wird dabei innerhalb des Kunststoffmaterials 2 eine Heizstrecke 9 ausgebildet, innerhalb dessen das Kunststoffmaterial 2 in Art einer Widerstandsheizung temperiert wird. Hierfür wird an die Elektroden 8a und/oder 8b mit Hilfe einer elektrischen Energieversorgung 10 eine elektrische Spannung angelegt, durch die in dem Kunststoffmaterial 2 im Bereich der Heizstrecke 9 ein Stromfluss bewirkt wird, da das Kunststoffmaterial 2 elektrisch leitfähig ist. Aufgrund des in der Heizstrecke 9 bewirkten Stromflusses in dem Kunststoffmaterial 2 wird basierend auf der elektrischen Verlustleistung das Kunststoffmaterial 2 im Bereich der Heizstrecke 9 in Art einer Widerstandsheizung erwärmt und dabei so temperiert, dass es von dem festen Aggregatzustand in den flüssigen bzw. geschmolzenen Aggregatzustand wechselt.
  • Im Ausführungsbeispiel der 1 sind dabei die beiden Elektroden 8a und 8b als Ringelektroden ausgebildet, wobei das Kunststoffmaterial 2 im Innendurchgang der Ringelektroden 8a und 8b hindurchgeführt wird. Hierdurch kann eine vollständige und sichere elektrische Kontaktierung gewährleistet werden.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Heizeinrichtung 7 insgesamt drei Elektroden 8a, 8b und 8c aufweist, wobei zwischen der ersten Elektrode 8a und der zweiten Elektrode 8b eine erste Heizstrecke 9a und zwischen der zweiten Elektrode 8b und der dritten Elektrode 8c eine zweite Heizstrecke 9b gebildet wird.
  • Die Heizeinrichtung 7 ist nun so ausgebildet, dass sie eine elektrische Spannung an den einzelnen Elektroden 8a, 8b und 8c so anlegen kann, dass die Heizstrecken 9a und 9b separat und unabhängig voneinander bestromt werden können. So ist es denkbar, dass an die erste Elektrode 8a und an die dritte Elektrode 8c eine positive elektrische Spannung angelegt wird, während die mittlere zweite Elektrode 8b mit dem Neutralleiter verbunden wird, sodass ein Stromfluss von der ersten Elektrode in Richtung zweite Elektrode und von der dritten Elektrode in Richtung zweite Elektrode bewirkt wird. Denkbar ist aber auch, dass die einzelnen Heizstrecken zeitlich voneinander verschieden bestromt werden.
  • Schließlich ist es auch denkbar, dass zwischen der ersten Elektrode 8a und der dritten Elektrode 8c insgesamt ein Stromfluss bewirkt wird, sodass der Stromfluss sowohl durch die erste als auch durch die zweite Heizstrecke erzeugt wird. Hierdurch lässt sich nicht nur zeitlich die Heizleistung steuern, sondern auch räumlich.
  • In 2 ist des Weiteren für jede Heizstrecke 9a und 9b ein eigener Temperatursensor 11 vorgesehen, der die Temperatur des Kunststoffmaterials erfasst. Die erfasste Temperatur wird sodann der Heizeinrichtung 7 bereitgestellt, die dann in Abhängigkeit der erfassten Temperatur das Bestromen der beiden Heizstrecken 9a und 9b regelt. Dabei kann die Heizeinrichtung 7 so ausgebildet sein, dass sie das Kunststoffmaterial 2 annäherungsweise an eine vorgegebene Solltemperatur temperiert, wobei der Temperatursensor 11 hierfür die entsprechende Rückmeldung liefert.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Elektroden 12a und 12b als Plattenelektroden ausgebildet sind, zwischen denen das Kunststoffmaterial 2 hindurchgeführt wird. Hierbei ist es denkbar, dass die Elektroden 12a und 12b versetzt voneinander angeordnet sind.
  • Gemäß einer vierten Ausführungsform, die schematisch in 4 dargestellt ist, ist ein 3D-Druckkopf vorgesehen, dem ein 3D-druckfähiges Kunststoffmaterial hinzugefügt wird. Die zwischen den beiden Elektroden 8a und 8b ausgebildete Heizstrecke 9 soll dabei durch einen Stromfluss temperiert werden.
  • Innerhalb der Heizstrecke 9 ist ein Applikator 13 derart angeordnet, dass in diesem Bereich Hilfswerkstoffe auf das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial 2 appliziert werden können. Derartige Hilfswerkstoffe können dabei den Zweck haben, dem 3D-druckfähigen Kunststoffmaterial 2 weitere Materialeigenschaften hinzuzufügen, wie beispielsweise eine Veränderung der Klebrigkeit, der Formstabilität, der Elastizität oder ähnlichem.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    3D-Druckkopf
    2
    3D-druckfähiges Kunststoffmaterial
    3
    Förderwalzen
    4
    Kopfspitze
    5
    Austrittsöffnung
    6
    Substrat
    7
    Heizeinrichtung
    8
    Elektroden
    9
    Heizstrecke
    10
    Energieversorgung
    11
    Temperatursensor
    12
    Plattenelektroden
    13
    Applikator
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2015/0147472 A1 [0004]
    • DE 102015223540 A1 [0005]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur aus einem 3D-druckfähigen Kunststoffmaterial (2) mittels einer 3D-Druckanlage, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Zuführen eines 3D-druckfähgien Kunststoffmaterials (2) zu einem 3D-Druckkopf (1) der 3D-Druckanlage und - Extrudieren des dem 3D-Druckkopf (1) zugeführten Kunststoffmaterials (2) aus einer Austrittsöffnung (5) des 3D-Druckkopfes (1), um die dreidimensionale Struktur aus dem Kunststoffmaterial (2) herzustellen, - wobei das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial (2) mittels einer Heizvorrichtung (7) der 3D-Druckanlage temperiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass - dem 3D-Druckkopf (1) ein elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial (2) zugeführt wird, - wobei das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial (2) während des Extrudierens mit wenigstens zwei Elektroden (8) der Heizvorrichtung (7) elektrisch kontaktiert wird, sodass sich zwischen den Elektroden (8) in dem 3D-druckfähigen Kunststoffmaterial (2) eine Heizstrecke (9) ausgebildet wird, und - wobei mittels einer elektrischen Energieversorgung (10) der Heizeinrichtung (7) während des Extrudierens durch Anlegen einer elektrischen Spannung an wenigstens einer der Elektroden (8) ein Stromfluss in der Heizstrecke (9) des 3D-druckfähigen Kunststoffmaterials (2) derart bewirkt wird, dass das Kunststoffmaterial (2) dadurch temperiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (8) der Heizeinrichtung (7) in dem 3D-Druckkopf (1) vorgesehen sind und der Stromfluss in der Heizstrecke (9) während des Extrudierens derart bewirkt wird, dass das Kunststoffmaterial (2) in einen geschmolzenen Zustand überführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Vorheizeinrichtung der 3D-Druckanlage das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial (2) auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Kunststoffmaterials (2) temperiert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Heizstrecke (9) des 3D-druckfähigen Kunststoffmaterials (2) diesem zusätzliche Hilfswerkstoffe zugeführt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Temperatursensors (11) die Temperatur des 3D-druckfähigen Kunststoffmaterials (2) ermittelt wird, wobei mittels einer Steuereinrichtung die durch den Stromfluss induzierte Heizleistung in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 3D-druckfähige Kunststoffmaterial (2) während des Extrudierens mit mehr als zwei Elektroden (8) der Heizvorrichtung (7) elektrisch kontaktiert wird, sodass zwischen den Elektroden (8) zwei oder mehr Heizstrecken (9) ausgebildet werden, wobei mittels der elektrischen Energieversorgung (10) der Heizeinrichtung (7) während des Extrudierens durch separates Anlegen einer elektrischen Spannung an den Elektroden (8) ein Stromfluss in der jeweiligen Heizstrecke (9) bewirkt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromfluss in der jeweiligen Heizstrecke (9) in Abhängigkeit von einem Temperierungsprofil bewirkt wird.
  8. Anlage zum Herstellen einer dreidimensionalen Struktur aus einem 3D-druckfähigen Kunststoffmaterial (2), mit einem 3D-Druckkopf (1), dem über eine Zuführeinrichtung ein 3D-druckfähiges Kunststoffmaterial (2) zuführbar ist, mit einer Extrudereinheit, die zum Extrudieren des dem 3D-Druckkopf (1) zugeführten Kunststoffmaterials (2) aus einer Austrittsöffnung (5) ausgebildet ist, und mit einer Heizvorrichtung (7) zum Temperieren des 3D-druckfähigen Kunststoffmaterials (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (7) wenigstens zwei Elektroden (8) hat, die derart angeordnet sind, dass das 3D-druckfähige, elektrisch leitfähige Kunststoffmaterial (2) während des Extrudierens mit diesen elektrisch kontaktiert, um eine Heizstrecke (9) zwischen den Elektroden (8) auszubilden, wobei die Heizeinrichtung (7) weiterhin ausgebildet ist, mittels einer elektrischen Energieversorgung (10) während des Extrudierens durch Anlegen einer elektrischen Spannung an wenigstens einer der Elektroden (8) ein Stromfluss in der Heizstrecke (9) des 3D-druckfähigen Kunststoffmaterials (2) derart zu bewirken, dass das Kunststoffmaterial (2) dadurch temperiert wird.
  9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
  10. Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Elektroden (8) zumindest einen Teil einer Innenwandung einer Extruderdüse des Extruders bildet.
  11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Elektrode (8) als Ringelektrode ausgebildet ist.
  12. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Elektroden (8) durch zumindest einen Teil einer Extruderschnecke des Extruders gebildet wird.
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