DE102018216792A1

DE102018216792A1 - 3D-Druckvorrichtung

Info

Publication number: DE102018216792A1
Application number: DE102018216792.3A
Authority: DE
Inventors: Joachim Kleylein-Feuerstein; Hans-Henrik Westermann; Daniel Pezold
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine 3D-Druckvorrichtung mit einer Blende, die eine Durchtrittsfläche für den Durchtritt eines Druckmaterials begrenzt, wobei die Blende die Durchtrittsfläche mit zumindest zwei geraden Kanten begrenzt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum 3D-Drucken eines Druckmaterials, wobei das Druckmaterial durch eine Durchtrittsfläche ausgegeben wird, die von einer Blende auf zumindest einen Teil ihres Umfangs begrenzt wird, wobei die Blende die Durchtrittsfläche mit zumindest zwei geraden Kanten begrenzt und der Umfang des ausgegebenen Druckmaterials zumindest teilweise durch die Blende geformt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine 3D-Druckvorrichtung mit einer Blende, die eine Durchtrittsfläche für den Durchtritt eines Druckmaterials begrenzt, wobei die Blende die Durchtrittsfläche mit zumindest zwei geraden Kanten begrenzt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum 3D-Drucken eines Druckmaterials, wobei das Druckmaterial durch eine Durchtrittsfläche ausgegeben wird, die von einer Blende auf zumindest einen Teil ihres Umfangs begrenzt wird, wobei die Blende die Durchtrittsfläche mit zumindest zwei geraden Kanten begrenzt und der Umfang des ausgegebenen Druckmaterials zumindest teilweise durch die Blende geformt wird.
Charakteristisch für alle additiven Fertigungsverfahren ist der schichtweise Aufbau eines Bauteils durch stoffschlüssiges Fügen mehrerer Schichten, basierend auf CAD-Daten. Idealerweise sollte das Bauteil ohne Verwendung zusätzlicher Werkzeuge herstellbar sein. Charakteristisch für Bauteile, die mittels additiver Fertigungsverfahren bzw. mittels 3D-Druck hergestellt wurden, ist ein Aussehen, das in der Schnittebene (x-y-Ebene) eine vergleichsweise hohe Präzision aufweist, gleichzeitig aber in dazu senkrechter z-Richtung eine stufige und häufig unregelmäßig gestörte Topologie aufweist. Dieser sog. „Treppenstufeneffekt“ führt einerseits zu großen Maßschwankungen, die von hohen Oberflächenrauigkeiten begleitet werden, und stört andererseits die einheitliche Haptik des erzeugten Bauteils. Für viele Anwendungen ist deshalb gegenwärtig eine anschließende zeitaufwändige Nachbearbeitung der additiv gefertigten Bauteile notwendig. Diese zielt dabei zumeist auf die Herstellung höherer Maßhaltigkeiten sowie einheitlicher Oberflächeneigenschaften, insbesondere Rauigkeit und Haptik ab. Verwendet werden hierfür insbesondere trennende und/oder abtragende Fertigungsverfahren wie beispielsweise Fräsen, Schleifen oder Ätzen.
Ein verbreitetes additives Fertigungsverfahren, das auch in der vorliegenden Erfindung vorteilhaft zur Anwendung kommen kann, ist das Fused Layer Modeling. Beim Fused Layer Modeling (FLM), oder auch Schmelzschichtung genannten Verfahren wird das Bauteil durch Aufschmelzen von Werkstoffen, zumeist amorphe Thermoplaste, erzeugt. Der Werkstoff wird dabei kontinuierlich durch einen Extruder gefördert. Dort wird er in einer Teilkomponente des Extruders, dem sogenannten Hotend, aufgeschmolzen und mittels der Düse in Form eines Extrusionsstranges auf einer Bauplattform bzw. der vorherigen Bauteilschicht abgelegt. [Berger, U.; Hartmann, A.; Schmid, D.: Additive Fertigungsverfahren: Rapid Proto-typing, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing, Europa Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2013, S.131-135].
Der Zusammenhalt der Extrusionsstränge, sowohl innerhalb als auch zwischen den einzelnen Schichten, entsteht aufgrund des Stoffschlusses beim Erkaltu ngsprozess.
Häufig besitzt der Extruder mehrere Freiheitsgrade (z. B. in x- und y-Richtung) und die Bauplattform lässt sich zur Erzeugung einer neuen Schicht in z-Richtung absenken bzw. anheben [Zäh, M. F.: Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien: Anwender-Leitfaden zur Auswahl geeigneter Verfahren, Hanser, München, 2006, S. 70].
Allen bekannten FLM-Verfahren ist dabei gemein, dass die Düse stets starr mit dem Extruder verbunden ist. Mit verfügbaren Maschinen lassen sich Schichtdicken von 0,13 mm bis 0,33 mm und Spurbreiten des Extrusionsstranges von 0,12 mm bis 0,30 mm realisieren [Berger, U.; Hartmann, A.; Schmid, D.: Additive Fertigungsverfahren: Rapid Proto-typing, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing, Europa Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2013, S.134-136]; [Gebhardt, A.: Generative Fertigungsverfahren: Additive manufacturing und 3D-Drucken für Prototyping - Tooling - Produktion. 4. neu bearb. und erw. Auflage, Hanser, München, 2013, S-. 251].
Zur Reduzierung des auftretenden Treppenstufeneffekts existieren für das FLM-Verfahren in der Fachliteratur unterschiedliche Lösungsvorschläge. So kann die Ausprägung des Treppenstufeneffekts im Prozess durch die Wahl der Schichtdicke beeinflusst werden. Je kleiner die Schichtdicke gewählt wird, umso geringer fällt der Stufeneffekt aus, gleichzeitig erhöht sich allerdings die Herstellungszeit. [Gebhardt, A.: Generative Fertigungsverfahren: Additive manufacturing und 3D-Drucken für Prototyping - Tooling - Produktion. 4. neu bearb. und erw. Auflage, Hanser, München, 2013, S. 21].
Weiterhin kann eine optimierte Ausrichtung des zu erzeugenden Bauteils im Bauraum zur Reduzierung des Treppenstufeneffekts beitragen und auch die Verwendung von additiv erzeugten Stützstrukturen trägt zur Steigerung der Bauteilgüte bei. Zudem wird die Qualität der erzeugten Bauteile durch eine ständige Verbesserung der in den entsprechenden Maschinen eingesetzten Steuerungs- und Regelungstechnik gesteigert und auch speziell für das FLM-Verfahren optimierte Werkstoffe - beispielsweise werden dem verwendeten Polymer spezielle Additive zugesetzt, um die Verarbeitungseigenschaften zu verbessern - tragen hierzu bei.
Hinsichtlich des Hotends, in dem der Werkstoff aufgeschmolzen und mittels der Düse in Form eines Extrusionsstranges abgelegt wird, ist allen bekannten Entwicklungen gemein, dass die Austrittsöffnung der Düse immer einen runden Querschnitt aufweist. Zur Herstellung bereits verfügbarer Düsen werden gegenwärtig Fertigungsverfahren wie z.B. Drehen und Fräsen eingesetzt.
Entsprechende Düsen können auf unterschiedlichste Arten mit dem Extruder/ Hotend verbunden sein. Bekannt sind hierbei z.B. Gewinde, Passbohrungen mit Verdrehsicherung, Formschlüssige Einschübe (z.B. Schwalbenschwanzverbindung) und weitere.
Die DE 10 2015 016 823 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte mit einer elliptischen Düse. Das hier beschriebene Verfahren trägt dabei ein mittels Laserstrahl aushärtbares Harz auf. Die Vorrichtung ist so ausgestaltet, dass das aufgetragene Harz nach dem Auftragen, aber vor dem Aushärten mit dem Laser mittels Kellen geformt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein 3D-Druckverfahren anzugeben, mit dem der Treppenstufeneffekt verringert oder vermieden werden kann. Aufgabe ist es außerdem, ein entsprechendes 3D-Druckverfahren anzugeben, mit dem der Treppenstufeneffekt verringert oder vermieden werden kann. Vorteilhafterweise erlauben die Vorrichtung und das Verfahren eine präzisere Herstellung vorgegebener Modelle.
Die Aufgabe wird gelöst durch die 3D-Druckvorrichtung nach Anspruch 1 und das Verfahren zum 3D-Drucken nach Anspruch 14. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der 3D-Druckvorrichtung und des Verfahrens zum 3D-Drucken an.
Erfindungsgemäß wird eine 3D-Druckvorrichtung angegeben. Unter 3D-Druck sollen hier Verfahren verstanden werden, bei denen Material Schicht für Schicht zur Formung eines dreidimensionalen Objektes aufgetragen oder abgelegt wird. Der 3D-Druck ist also ein additives Fertigungsverfahren. Im Normalfall wird dabei ein aufzutragendes Material beispielsweise in fließ- oder rieselfähiger Form aufgebracht. Während oder nach dem Aufbringen findet eine Aushärtung des Materials statt. Dabei kann das Material von selbst, beispielsweise durch Abkühlung, aushärten oder mittels geeigneter Maßnahmen ausgehärtet werden. Bei rieselfähigen Materialien kann das Aushärten insbesondere ein Aufschmelzen der Materialpartikel sowie ein Miteinanderverschmelzen und anschließendes Abkühlen umfassen. Beim Fused-Layer-Modeling (FLM) können vorteilhaft Thermoplaste wie beispielsweise Polycarbonate (PC), Polyamide (PA), Acrylnitril-Butadien-StyrolCopolymere (ABS) oder Hochleistungsthermoplaste wie beispielsweise Polyphenylsulfon (PPSF) auf diese Weise aufgetragen werden. In entsprechender Weise können auch andere schmelzbare oder zähflüssige Materialien wie Metalle, Lebensmittel, Beton, Gips oder ähnliches verwendet werden.
Die genaue Ausgestaltung der verschiedenen Komponenten der 3D-Druckvorrichtung hängt von dem aufzutragenden Werkstoff ab. Wird beispielsweise ein schmelzbarer Werkstoff aufgetragen, so kann dieser über einen Extruder bereitgestellt werden. Der Werkstoff wird durch ein sog. „Hotend“ geleitet, in dem er aufgeschmolzen wird. Er kann dann durch eine Düse austreten und beispielsweise auf einer Bauplattform oder einer bereits aufgetragenen Schicht des Materials abgelegt werden. Die Aushärtung kann hier einfach dadurch erfolgen, dass das Material abkühlt.
Im Stand der Technik werden die aufzutragenden Materialien normalerweise durch eine kreisrunde oder, wie in der oben zitierten DE 10 2015 016 823 A1 , durch eine elliptische Öffnung aufgetragen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass diese Geometrie der Austrittsöffnung für das Material wesentlichen Einfluss auf das Entstehen der beschriebenen Treppenstufenstruktur hat. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, eine Durchtrittsfläche für den Durchtritt des Druckmaterials so auszubilden, dass die Durchtrittsfläche zumindest zwei gerade Kanten aufweist. Hierzu hat erfindungsgemäß die 3D-Druckvorrichtung eine Blende, welche die Durchtrittsfläche auf zumindest einem Teil eines Umfangs der Durchschnittsfläche begrenzt, wobei die Blende so ausgestaltet ist, dass sie die Durchtrittsfläche mit zumindest zwei geraden Kanten begrenzt. Die Durchtrittsfläche ist also erfindungsgemäß jene Fläche, die durch die Blende begrenzt wird. Vorteilhafterweise kann dabei die Blende eine Austrittsöffnung einer Düse sein, insbesondere der Düse, durch die das Material aufgetragen wird. Es ist aber auch möglich, das Material zunächst beispielsweise durch eine Düse mit kreisförmiger Öffnung auszugeben und das Material anschließend durch die Blende zu führen, die dann das Material formt. In diesem Falle wäre nicht die Öffnung der Düse die Durchtrittsfläche, sondern der von der Blende umfasste Bereich.
Vorteilhafterweise kann die Durchtrittsfläche die letzte von einem Bestandteil der 3D-Druckvorrichtung begrenzte Fläche sein, durch die das aufzutragende Material hindurchtritt, bevor es abgelegt wird.
Die Durchtrittsfläche soll vorteilhafterweise jene Fläche sein, die den Materialstrang bzw. Extrusionsstrang zum letzten Mal formt, bevor dieser mit einer Unterlage in Kontakt kommt, auf der das Material abzulegen ist, also beispielsweise einer Bauplattform oder Schichten bereits aufgetragenen Materials.
Vorteilhafterweise ist die Durchtrittsfläche eben, was bedeutet, dass sich die die Durchtrittsfläche begrenzenden Kanten der Blende in einer Ebene erstrecken, nämlich in jener Ebene, in der sich die Durchtrittsfläche erstreckt. Die Kanten der Blende begrenzen dann die Durchtrittsfläche in dieser Ebene.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Blende die Durchtrittsfläche nicht zwingend in alle Richtungen begrenzen muss. Es ist hinreichend, wenn die Blende die Durchtrittsfläche nur in jene Richtungen begrenzt, in denen gerade Kanten gewünscht sind. In den anderen Richtungen kann die Durchtrittsfläche sogar unbegrenzt sein. Wird dann beispielsweise das aufzutragende Material durch eine Düse nach dem Stand der Technik mit beispielsweise kreisförmigem Querschnitt ausgegeben, so braucht die Blende nur jenen Teil des Umfangs des ausgegebenen Materialstrangs zu berühren und zu formen, der gerade sein soll, während in den anderen Richtungen der Umfang so belassen werden kann, wie er durch die Düsenöffnung geformt wurde. Vorteilhaft ist jedoch, wenn die Austrittsöffnung der Düse selbst als Blende angesehen wird. In diesem Fall hat also die Austrittsöffnung der Düse zumindest zwei gerade Kanten.
Dadurch, dass erfindungsgemäß zwei gerade Kanten die Durchtrittsfläche begrenzen, weist der Materialstrang nach Verlassen der 3D-Druckvorrichtung zwei Oberflächen auf, die im abgelegten Zustand eben sind. Es wird dadurch möglich, einen Materialstrang mit einer ebenen Fläche auf eine ebene Fläche eines zuvor aufgetragenen Materialstrangs aufzubringen. Auf diese Weise können also die Materialstränge jeweils mit ebenen Oberflächen aneinander angrenzend aufeinander aufgetragen werden. Dies ist ein deutlicher Vorteil gegenüber Materialsträngen, die mit runden Oberflächen aufgetragen werden, da solche Materialstränge geometrisch einander zunächst nur entlang einer Linie berühren und nur dadurch in gewissem Maße eine Berührungsfläche von nicht verschwindender Breite ausbilden, dass sich das Material beim Auflegen etwas verformt. Das Ausmaß der Verformung und damit die Breite der Kontaktfläche sind jedoch stark vom Material abhängig, wodurch sie schwierig zu kontrollieren ist und im Normalfall immer ein Treppenstufeneffekt zurückbleibt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht hingegen ein Aufbringen mit einer materialunabhängig einstellbaren Kontaktfläche bei deutlicher Verringerung bis hin zur weitgehenden Vermeidbarkeit des Treppenstufeneffekts.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Durchtrittsfläche in einer Richtung größer sein als in einer dazu senkrechten Richtung in der Ebene der Durchtrittsfläche. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Kontaktfläche des aufliegenden Materials groß ist im Vergleich zur Höhe in Richtung senkrecht zur Ebene des Auflegens, was eine besonders stabile Fertigung ermöglicht. In Verbindung mit einer später noch zu beschreibenden drehbaren Blende oder Austrittsöffnung kann durch eine solche Durchtrittsfläche auch erreicht werden, dass je nach Orientierung der längeren und kürzeren Richtung der Durchtrittsfläche relativ zu einer Vorschubrichtung des Auftrags das Material in dünnen, aber breiten Schichten aufgetragen wird, was zu einem stabilen Auftrag führt, oder in hohen, aber schmalen Schichten, was zu einem schnellen Anwachsen der Höhe des Bauteils führt.
Wie die zumindest zwei geraden Kanten der Blende zueinander orientiert sind, kann in Abhängigkeit davon gewählt werden, wie die Schichten aufeinander abgelegt werden sollen. Die geraden Kanten werden dabei vorteilhaft stets so orientiert, dass im abgelegten Materialstrang die durch die geraden Kanten geformten ebenen Oberflächen zweier benachbarter Materialstränge aneinander liegen.
Sofern hier davon die Rede ist, dass der Materialstrang eine ebene Oberfläche aufweist, soll dies die Geometrie dieser Oberfläche im abgelegten Zustand beschreiben. Alternativ kann diese Eigenschaft des Materialstrangs so beschrieben werden, dass ein Querschnitt des Materialstrangs in einer Ebene senkrecht zu einer Längsrichtung des Materialstrangs einen Umfang mit einem geraden Abschnitt aufweist. Ein Materialstrang, der erfindungsgemäß durch zwei gerade Kanten der Blende geformt wird, hat dann einen Querschnitt, der einen Umfang mit zwei geraden Abschnitten hat. Es sei darauf hingewiesen, dass letztere Beschreibung des Materialstrangs nach dessen Austreten aus der Durchtrittsfläche vorteilhaft überall zutreffend ist, während die entsprechenden Oberflächen nur im abgelegten Zustand tatsächlich eben sind, da der Materialstrang nach dem Austreten durch die Durchtrittsfläche aber vor dem Ablegen eine Biegung durchläuft, so dass auch die entsprechenden geraden Oberflächen gebogen sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die zumindest zwei geraden Kanten einander gegenüberliegen, also einander bezüglich der Durchtrittsfläche gegenüberliegen. Hierdurch kann die Blende einen Materialstrang formen, der auf bezüglich des Materialstrangs gegenüberliegenden Seiten eben ist, so dass das Ablegen mehrerer Materialstränge aufeinander zu einem Anwachsen des in 3D zu druckenden Objektes in einer Richtung führt, wobei diese Richtung auch Krümmungen durchlaufen kann.
Ist es erwünscht, dass das herzustellende Objekt in einer geraden Richtung anwächst, die vorteilhaft auch senkrecht auf einer Bauplattform steht, auf der das Objekt hergestellt wird, so ist es besonders vorteilhaft, wenn die zumindest zwei geraden Kanten parallel zueinander liegen. Hierdurch bleibt die Richtung, in die das herzustellende Objekt beim Ablegen der verschiedenen Schichten anwächst, konstant, so dass sich eine Oberfläche ergibt, die in Richtung des Anwachsens, also beispielsweise in Richtung senkrecht zur Bauplattform, gerade ist.
Ist die Durchtrittsfläche in einer Richtung größer als in einer dazu senkrechten Richtung, so kann es abhängig von der Geometrie des herzustellenden Objektes vorteilhaft sein, wenn zumindest eine oder zwei der zumindest zwei geraden Kanten sich in jene Richtung erstrecken, in der die Durchtrittsfläche größer ist als in der dazu senkrechten Richtung. Hierdurch wird die Ablagefläche des erzeugten Materialstrangs breiter, als der Materialstrang hoch ist, was zu besonders stabilen Bauteilen führt.
Im Folgenden sollen einige vorteilhafte Formen der Durchtrittsfläche erläutert werden. Vorteilhafterweise umläuft dabei die Blende die Durchtrittsfläche vollständig, die Blende umläuft also eine Öffnung, die insbesondere auch eine Düsenöffnung einer Düse sein kann, durch welche das aufzutragende Material ausgegeben wird. Allgemein lässt sich die Durchtrittsfläche dabei als allgemeines Polygon beschreiben, das durch das in der nachfolgenden Gleichung aufgeführte Tupel von n verschiedenen Punkten ausdrücken lässt: $P : = (P_{1}, P_{2}, \dots, P_{n}), P_{i} \in ℝ^{2},1 \leq i \leq n$
Vorteilhaft kann die Durchtrittsfläche zum Beispiel durch eine der folgenden Gleichungen beschrieben werden:

Dreieck $A = \frac{1}{2} g * h$
Rechteck $A = a * b$
Trapez $A = \frac{1}{2} h * (a + c)$
Parallelogramm $A = g * h$
Raute $A = a * h$
Fünfeck $A = \frac{a^{2}}{4} \sqrt{25 + 10 \sqrt{5}}$
Sechseck $A = a^{2} \frac{3}{2} \sqrt{3} = r_{i}^{2} 2 \sqrt{3}$
Langloch $A = a * b + {(\frac{a}{2})}^{2} π$
Langloch modifiziert $A = a * b - (r^{2} * a r c c o s (1 - \frac{h}{r}) - (r - h) - \sqrt{2 r h - h^{2}})$

Als besonders vorteilhaft haben sich folgende Formen erwiesen. Zum einen eignet sich eine nicht quadratische Rechteckform besonders vorteilhaft, da diese in zwei unterschiedliche Richtungen parallele Kanten hat, wodurch je nach Ausrichtung der Düse eine breite Ablagerung mit geringer Schichtdicke oder eine schmale Ablagerung mit hoher Schichtdicke gewählt werden kann. Vorteilhaft ist auch eine Langlochform der Durchtrittsfläche mit zwei geraden Kanten, die vorteilhafterweise parallel zueinander verlaufen und zwei die geraden Kanten verbindenden runden Kanten. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Durchtrittsfläche in Richtung der geraden Kanten weiter ausgedehnt ist als in Richtung senkrecht dazu. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine breite Auflagefläche, wobei durch die runden Kanten, wenn diese konvex sind, scharfe Ecken auf den Oberflächen des hergestellten Objektes vermeiden lassen. Als sehr vorteilhaft hat sich auch eine Langlochform oder Rechteckform erwiesen, die zwei gerade zueinander parallele Kanten aufweist sowie zwei gegenüberliegende, die geraden Kanten verbindenden konkaven Kanten, die besonders bevorzugt rund sein können. Wird durch eine solche Durchtrittsfläche ein deformierbares Material aufgetragen, so wird das Material beim Auftragen in Richtung der Höhe des aufgebauten Werkstücks gestaucht. Hierdurch wird Material aus dem Inneren des aufgetragenen Strangs zur Seite hin verdrängt, wodurch die konkaven Kanten nach außen in eine im Wesentlichen gerade Form gedrückt werden. Auf diese Weise lassen sich Objekte mit sehr ebener Oberfläche erzeugen.
Für bestimmte Anwendungen kann auch eine Parallelogramm-Form, vorzugsweise mit zwei unterschiedlichen Kantenlängen geeignet sein. Durch eine Parallelogramm-Form lassen sich beispielsweise schräge Wände des Objektes aufbauen. Auch eine Sechseck-Form, Rauten-Form und Trapez-Form kann vorteilhaft sein, die zu Oberflächen mit definierter Welligkeit führen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die 3D-Druckvorrichtung eine Vorschubvorrichtung auf, die eingerichtet ist, die Blende in zumindest eine Vorschubrichtung zu verschieben. Der Vorschub erfolgt dabei vorzugsweise in Richtung parallel zu einer Ablagefläche bzw. Bauplattform, auf der das Objekt herzustellen ist. Ist die Blende eine Düsenöffnung, so kann durch eine solche Vorschubvorrichtung auch die Düse auf diese Weise verschoben werden. Hierdurch kann das Material entlang von Bahnen aufgetragen werden. Vorteilhafterweise weist die 3D-Druckvorrichtung außerdem eine Drehvorrichtung auf, die eingerichtet ist, die Blende zu drehen. Dabei erfolgt die Drehung bevorzugt um eine Achse, die auf der Durchtrittsfläche in einem nicht verschwindenden Winkel, vorzugsweise senkrecht steht. Vorteilhafterweise steht die Drehachse senkrecht zur Vorschubrichtung. Durch eine solche Drehbarkeit kann bei Durchtrittsöffnungen, die in unterschiedliche Richtungen unterschiedlich ausgedehnt sind, durch Drehung die Breite des aufgetragenen Materials variiert werden. Außerdem ist es möglich, die Orientierung der Durchtrittsöffnung relativ zur Vorschubrichtung konstant zu halten, wenn die Vorschubrichtung nicht gerade, also entlang einer Krümmung verläuft.
Die Drehbarkeit der Blende kann besonders bevorzugt dadurch realisiert werden, dass die Drehvorrichtung einen Motor aufweist, der mit der Blende über ein Zahnradgetriebe verbunden ist. Dabei steht besonders bevorzugt eine Drehachse des Motors parallel zu der Richtung, um welche die Blende drehbar ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Drehrichtung des Motors auch senkrecht zur Vorschubrichtung stehen. Die Blende kann hierzu beispielsweise von einem Zahnkranz umgeben sein, in den das vom Motor angetriebene Zahnrad eingreift.
Vorteilhafterweise kann außerdem die Durchtrittsöffnung sich in einer Ebene erstrecken, die parallel liegt zur Vorschubrichtung. Insbesondere kann die Durchtrittsöffnung parallel liegen zu einer Ebene, in der die Bahn des aufgetragenen Materials verläuft bzw. zu den Schichtebenen des aufgetragenen Materials. Insbesondere kann die Durchtrittsöffnung auch parallel liegen zur Bauplattform, auf der das Objekt hergestellt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Blende durch geeignete Steuerung der Drehvorrichtung so gedreht werden bzw. so drehbar sein, dass die Orientierung der Durchtrittsöffnung bzw. der Blende relativ zur aktuellen Vorschubrichtung konstant bleibt. Steht beispielsweise eine der geraden Kanten der Durchtrittsöffnung senkrecht auf der Vorschubrichtung, so kann, wenn die Vorschubrichtung entlang einer Kurve verläuft, die Blende durch die Drehvorrichtung so drehbar sein, dass diese Kante an jedem Punkt des gekrümmten Verlaufs senkrecht steht zur aktuellen Vorschubrichtung. Entsprechendes gilt für jeden anderen Winkel einer gegebenen Kante der Durchtrittsöffnung zur Vorschubrichtung.
Es ist auch vorteilhaft möglich, dass durch die Drehvorrichtung die Blende so drehbar ist, dass sich die Orientierung der Blende oder der Durchtrittsöffnung relativ zur aktuellen Vorschubrichtung ändert. Auf diese Weise kann beispielsweise die Breite des abgelegten Materials variiert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders vorteilhaft eine Fused-Layer-Modeling-Vorrichtung. Mit einer solchen kann ein auch als Schmelzschichtung bezeichnetes Verfahren ausgeführt werden. Dabei kann das Bauteil dadurch erzeugt werden, dass ein oder mehrere Werkstoffe, beispielsweise amorphe Thermoplaste, aufgeschmolzen werden und der aufgeschmolzene Werkstoff kontinuierlich durch einen Extruder befördert wird. Im Extruder wird in einer Teilkomponente des Extruders, dem sog. „Hotend“, aufgeschmolzen und mittels der Düse oder der Blende in Form eines Extrusionsstranges auf der Bauplattform bzw. der vorherigen Bauteilschicht abgelegt. Beim Erkalten des aufgetragenen Werkstoffs wird zwischen den Extrusionssträngen eine Zusammenhalt aufgrund von Stoffschluss hergestellt.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren zum 3D-Drucken eines Objektes mit einem Druckmaterial angegeben. Dabei wird das Druckmaterial durch eine Durchtrittsfläche ausgegeben, die von einer Blende auf zumindest einem Teil ihres Umfangs begrenzt wird. Dabei begrenzt die Blende die Durchtrittsfläche mit zumindest zwei geraden Kanten. Für die Durchtrittsfläche und die Blende sowie für das Druckmaterial gilt das vorstehend zur Vorrichtung Beschriebene analog.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird der Umfang des durch die Durchtrittsfläche ausgegebenen Druckmaterials auf zumindest einem Teil des Umfangs oder auf dem gesamten Umfang durch die Blende geformt, wenn das Druckmaterial die Durchtrittsfläche durchtritt. Das Druckmaterial kann nach Durchtreten durch die Durchtrittsfläche auf der Bauplattform als Ablagefläche oder einer zuvor aufgetragenen Schicht des Druckmaterials abgelegt werden, ohne weitere Komponenten der hierzu verwendeten Vorrichtung zu durchlaufen, die die Form des Querschnitts des Druckmaterials verändern würden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Blende gegenüber einer Ablagefläche, auf der das Druckmaterial abgelegt wird, also der Bauplattform, verschoben werden und gleichzeitig so gedreht werden, dass sich die Orientierung der Blende relativ zur jeweiligen Vorschubrichtung nicht ändert. Es gilt das oben zur Vorrichtung Beschriebene analog.
Es ist außerdem möglich, die Blende gegenüber der Ablagefläche, also beispielsweise der Bauplattform, zu verschieben und dabei gleichzeitig so zu drehen, dass sich die Orientierung der Blende relativ zur jeweiligen Vorschubrichtung ändert, um auf diese Weise unterschiedlich breite Ablagerungen in Richtung parallel zur Ablagefläche zu erzeugen.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen dabei gleiche oder entsprechende Merkmale. Die in den Beispielen beschriebenen Merkmale können auch unabhängig vom konkreten Beispiel realisiert sein und zwischen verschiedenen Beispielen kombiniert werden.
Es zeigt

1 eine beispielhafte Ausgestaltung einer 3D-Druckvorrichtung mit einer Drehvorrichtung,
2 einen Bahnenverlaufs eines Materialauftrags im Vergleich einer drehbaren Durchtrittsfläche mit einer nicht drehbaren Durchtrittsfläche,
3 verschiedene Geometrien möglicher Durchtrittsflächen,
4 eine Illustration des Vorteils der Ablagerung entsprechend der Erfindung,
5 eine Illustration eines weiteren Vorteils einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
6 eine vorteilhafte Ausführung eines Verfahrens zum 3D-Drucken, mit dem ein Treppenstufeneffekt besonders vorteilhaft vermeidbar ist,
7 eine Ausgestaltung einer 3D-Druckvorrichtung, bei der die Durchtrittsfläche nicht identisch zur Düsenöffnung ist.

1 zeigt eine erfindungsgemäße 3D-Druckvorrichtung, mit der auf einer Ablagefläche 1 oder Bauplattform 1 Bahnen 2a, 2b eines Extrusionsstranges 2 abgelegt werden können. Die Bahnen 2a , 2b des Extrusionsstranges werden dabei auf der Ablagefläche 1 und aufeinander abgelegt. Der Extrusionsstrang 2 tritt aus einer Düse 3 aus, deren Düsenöffnung eine Durchtrittsfläche ist, die einen Umfang des Extrusionsstrangs 2 zumindest teilweise formt. Dabei wirkt der Rand der Düse als Blende, welche die Durchtrittsfläche begrenzt. Die Blende hat zumindest zwei gerade Kanten, die im gezeigten Beispiel vorteilhafterweise so orientiert sind, dass die dadurch geformten ebenen Oberflächen des Extrusionsstranges 2 im gezeigten Beispiel parallel liegen zur Ebene der Ablagefläche 1. Je nach herzustellender Geometrie können die geraden Kanten auch anders orientiert sein.
Die Düse 3 ist um eine senkrecht zur Auflagefläche 1 stehende Achse drehbar, so dass auch die Durchtrittsfläche drehbar ist. Die Drehbarkeit wird dadurch hergestellt, dass die Düse 3 an ihrem der Düsenöffnung abgewandten Seite ein Zahnrad 4 aufweist, das mit einem Zahnrad 5 ineinandergreift, das durch einen Motor 6 angetrieben wird. Im gezeigten Beispiel liegen die Zahnräder 4 der Düse und 5 des Motors in einer gemeinsamen Ebene, die parallel zur Bauplattform 1 liegt. Die in 1 gezeigte Ausgestaltung der 3D-Druckvorrichtung ist für ein Fused-Layer-Modeling-Verfahren geeignet. Sie weist daher ein Hotend 7 auf, das die Düse 3 umgibt und durch welches ein schmelzbares Material zur Düse geleitet wird. Das Material wird im Hotend 7 aufgeschmolzen und tritt daher im geschmolzenen Zustand aus der Düse 3 aus. Nach dem Ablegen kühlt das Material ab und härtet dadurch aus.
Im in 1 gezeigten Beispiel ist die gesamte Vorrichtung mit der Düse 3, dem Hotend 7, sowie dem Motor 6 und den Zahnrädern 4, 5 in einer Vorschubrichtung verschiebbar, die parallel verläuft zur Ebene, in der sich die Ablagefläche 1 erstreckt. Auf diese Weise können Bahnen auf der Ablagefläche 1 abgelegt werden. Der Motor 6 des Schwenkantriebs kann beispielsweise ein Servomotor sein.
2 zeigt den Effekt der drehbaren Durchtrittsfläche, wie er durch die in 1 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt wird. Eine Durchtrittsfläche 8 hat dabei eine Form eines Langlochs mit zwei parallelen geraden Kanten und zwei die beiden geraden Kanten verbindenden konvexen runden Kanten. Die Durchtrittsfläche ist in einer Richtung parallel zu den geraden Kanten weiter ausgedehnt, als in hierzu senkrechter Richtung. In beiden Teilbildern der 2 wird die 3D-Druckvorrichtung in Vorschubrichtungen verschoben, die parallel liegen zur Zeichnungsebene. Dabei verläuft die Vorschubrichtung in geraden, aufeinanderfolgenden Teilabschnitten, wobei benachbarte Teilabschnitte jeweils in einem rechten Winkel zueinander stehen, so dass die Teilabschnitte parallel zu Kanten eines Rechtecks verlaufen. Mit fortschreitendem Verlauf der Vorschubrichtung werden dabei die Kanten in einer gegebenen Richtung immer etwas kürzer, so dass die Bahnen 2 rechtwinklig schneckenförmig verlaufen. Im linken Teilbild ist keine Drehvorrichtung vorgesehen, so dass die Orientierung der Durchtrittsöffnung 8 über den gesamten Verlauf der Bahn 2 konstant bleibt. Da die Durchtrittsöffnung 8 in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich ausgedehnt ist, führt dies dazu, dass die Bahn in ihrem Verlauf von links nach rechts die Ausdehnung der schmaleren Breite der Durchtrittsöffnung 8 aufweist und entlang der dazu senkrechten Bahnen die Abmessungen der breiteren Richtung der Durchtrittsöffnung 8. Die Breite der so hergestellten Bahnen variiert also mit der Richtung des Verlaufs dieser Bahnen.
Das rechte Teilbild der 2 zeigt eine Bahn 2, die unter Drehung der Durchtrittsöffnung 8 hergestellt wird. Die Herstellung der Bahn 2 startet dabei am linken oberen Rand der Bahn 2 und verläuft zunächst parallel zu den geraden Kanten der Durchtrittsöffnung 8, so dass die Bahn im ersten Abschnitt die Breite der schmaleren Abmessung der Durchtrittsöffnung 8 hat. Zum Herstellen des daran senkrecht anschließenden Abschnitts der Bahn 2 wird die Durchtrittsöffnung 8 mittels der Drehvorrichtung um 90° gedreht. Damit wird auch diese Bahn mit der Breite der kleineren Ausdehnung der Durchtrittsöffnung 8 hergestellt. Zur Herstellung der jeweils daran anschließenden beiden weiteren Abschnitte wird wiederum die Blendenöffnung jeweils um 90° gedreht, so dass auch diese Abschnitte die Breite der schmaleren Abmessung der Durchtrittsöffnung 8 haben. Zur Herstellung des fünften Abschnitts 2c der Bahn 2 wird die Orientierung der Öffnung 8 gegenüber dem zuvor hergestellten Abschnitt der Bahn nicht gedreht, so dass die Vorschubrichtung nun senkrecht steht zur Richtung der geraden Kanten der Durchtrittsöffnung 8. Hierdurch hat dieser Abschnitt der Bahn die Breite der größeren Ausdehnung der Durchtrittsöffnung 8. In den nun folgenden Abschnitten wird die Durchtrittsöffnung wieder jeweils um 90° gedreht, so dass diese Abschnitte alle die Breite der größeren Abmessung der Öffnung 8 haben.
2 zeigt, wie durch Vorsehen einer Öffnung mit unterschiedlichen Ausdehnungen in unterschiedlichen Richtungen bei gleichzeitiger Drehbarkeit der Durchtrittsöffnung die Bahnendicke nach Bedarf variiert werden kann.
3 zeigt beispielhaft verschiedene Geometrien der Durchschnittsfläche, die jeweils zumindest zwei gerade Kanten aufweisen. Je nach der Geometrie des herzustellenden Bauteils können diese Durchtrittsflächen geeignet gewählt werden. So ermöglichen beispielsweise eine rechteckige Geometrie, eine Langloch-Geometrie oder eine Geometrie des modifizierten Rechtecks mit konkaven Kanten sowie auch das Sechseck einen Aufbau von senkrecht auf einer Ablagefläche stehenden Wänden. Mittels eines Parallelogramms können geneigte Wände hergestellt werden. Durch dreieckige oder rautenförmige Geometrien der Durchtrittsfläche können Geometrien hergestellt werden, die sich einer Rundung annähern.
Allen der Geometrien, die zumindest zwei gerade Oberflächen aufweisen, die also durch eine Durchtrittsfläche mit zumindest zwei geraden Kanten hergestellt sind, ist gemein, dass sie, wie in 4 gezeigt, vorteilhaft aufeinander abgelagert werden können. In 4 soll die Teilfigur links der gestrichelten Linie als linke Teilfigur und die Figuren rechts der gestrichelten Linie als rechte Teilfigur bezeichnet werden. Die linke Teilfigur zeigt die Situation von zwei aufeinander abgelagerten Materialsträngen 2a und 2b, die hier runde, im Beispiel kreisförmige, Querschnittsflächen haben. Je nach Verformbarkeit des abgelagerten Materials grenzen solche Materialstränge 2a und 2b jeweils mit sehr schmalen Kontaktflächen 42 aneinander an, die sich bei sehr geringer Verformbarkeit einer Linie annähern. Zwischen zwei benachbarten Strängen 2a und 2b entsteht dadurch ein ungenutzter Kontaktraum 41. Es ist zu erkennen, dass Materialstränge 2a, 2b mit runden Querschnittsgeometrien zum einen eine geringe Stabilität haben, da die Kontaktfläche 42 klein ist, zum anderen eine große Oberflächenrauigkeit aufweisen, da der Raum 41 zwischen zwei Materialsträngen sehr groß ist.
Die in 3 als „Rechteck modifiziert“ gekennzeichnete Form mit zwei parallelen geraden Kanten und zwei diesen verbindenden konkaven Kanten der Durchtrittsfläche 8 ermöglicht es, einen im Wesentlichen quadratischen Ablagestrang 2 zu erzeugen. Bei Ablage des Stranges 2 wird das Material leicht gequetscht, so dass der konkave Ablagestrang während des Ablegens zu einem Ablagestrang 2 mit rechteckiger Querschnittsfläche wird.
Die Geometrien der Durchtrittsflächen 8 müssen keine Punktgeometrie aufweisen, sondern können durch Ein- oder Mehrachsensymmetrien charakterisiert sein. Durch das Drehen dieser Durchtrittsöffnungen 8 kann nun also die Breite des Extrusionsstrangs 2 variiert werden. Dies ermöglicht für die Materialablage eine schmale Strangbreite an der äußeren Bauteilkontur und eine große Strangbreite zur Materialablage beispielsweise im Bauteilinneren (Infill). Auf diese Weise lassen sich hohe Auftragsraten und große Kontaktflächen im Bauteilinneren realisieren, um die mechanischen Eigenschaften des Bauteils zu verbessern. Gleichzeitig lassen sich die Außenflächen des Bauteils mit großer Präzision herstellen.
Das rechte Teilbild der 4 zeigt in drei Beispielen jeweils zwei Materialstränge 2a, 2b, die mit einer erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung aufgebracht werden. Dabei hat in der linken Ausgestaltung die Durchtrittsfläche 8 eine quadratische Form, in der mittleren Ausgestaltung die Form eines Langlochs mit abgerundeten Enden und in der rechten Ausgestaltung eine sternförmige Geometrie. Allen gezeigten Ausgestaltungen ist gemein, dass sie jeweils zwei ebene Oberflächen aufweisen, die dadurch erzeugt werden, dass die Blende zumindest zwei gerade Kanten hat. Diese ebenen Oberflächen grenzen aneinander und erzeugen dabei große Kontaktflächen 43. Es können auf diese Weise Strukturen mit großer Stabilität hergestellt werden. Werden auch die anderen Kanten gerade hergestellt, wie im Falle der quadratischen Durchtrittsöffnung, so können vollständig gerade Außenwände ohne nennenswerte Rauigkeit hergestellt werden. Durch die beschriebene Drehbarkeit der Düse bzw. der Blende kann auch bei konturbedingten Richtungswechseln während des Materialauftrags die Größe der Kontaktflächen 43 stets konstant gehalten werden.
Entsprechende Düsenaustrittsöffnungen bzw. Durchtrittsflächen können beispielsweise mittels Senkerodierens gefertigt werden. Hierdurch können die beschriebenen Geometrien präzise und wiederholgenau in die Düse eingebracht werden.
5 zeigt, wie durch Kombination der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Durchtrittsöffnung in Verbindung mit der Drehbarkeit der Blende eine Abbildungsgenauigkeit eines vorgegebenen CAD-Modells erhöht wird. Dabei ist im linken Teilbild die Situation entsprechend dem Stand der Technik mit kreisförmiger Durchtrittsöffnung 8 illustriert und im rechten Teilbild die Situation mit einer erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung mit einer Durchtrittsöffnung 8, die hier als Langloch mit abgerundeten Kanten ausgestaltet ist. Sieht das CAD-Modell eine Kante des herzustellenden Objektes vor, so ist bei einer kreisförmigen Öffnung 8, wie im linken Teilbild gezeigt, die Kante nur mit dem minimalen Radius herstellbar, der der Radius der Durchtrittsöffnung 8 ist. Hierdurch entsteht eine Abweichung 51 des tatsächlich hergestellten Objektes von dem Modell. Wird entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Durchtrittsöffnungsgeometrie gewählt, die in einer Richtung weiter ausgedehnt ist als in hierzu senkrechter Richtung, wie beispielsweise beim in 5 gezeigten Langloch 8, so ist zu erkennen, dass der Bereich der Abweichung 51 vom Modell deutlich geringer ausfällt. Die erfindungsgemäßen Öffnungsgeometrien erlauben also eine genauere Herstellung eines vorgegebenen Modells.
6 zeigt ein Beispiel eines komplexeren Objektes, das mit der erfindungsgemäßen 3D-Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist. Dabei werden für unterschiedliche Bahnen unterschiedliche Geometrien der Durchtrittsöffnung verwendet. Zum einen wurde für jene Bahnen 2a, 2b, 2c, die einen Innenbereich des Objektes herstellen, eine quadratische Geometrie der Durchtrittsöffnung 8 gewählt. Anders als dies mit kreisförmigen Öffnungen möglich wäre, füllen die Bahnen 2a, 2b, 2c das Volumen des hergestellten Objektes vollständig aus. Die quadratischen Bahnen 2a, 2b, 2c erzeugen auf ihrer Außenseite Treppenstufen. Diese können durch erfindungsgemäße Wahl einer Durchtrittsfläche mit dreieckigem Querschnitt ausgefüllt werden, wobei eine Länge der Ankathete des Dreiecks der Kantenlänge der quadratischen Öffnungen 8 zur Herstellung der quadratischen Bahnen 2a, 2b, 2c entspricht und die Gegenkathete der Länge des jeweils überstehenden Bereichs des quadratischen Querschnitts. Auf diese Weise lässt sich eine vollkommen ebene Außenoberfläche des hergestellten Objektes erzeugen.
7 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung. Es wird hierbei die Düse 3 gezeigt, die an einem Hotend 7 angeordnet ist. Es wird wiederum das abzulegende Material durch das Hotend 7 zur Düse 3 geleitet und tritt aus der Düse durch eine Düsenaustrittsöffnung 78 aus. Es werden wiederum Bahnen 2a, 2b auf einer Ablagefläche 1 abgelegt. Die gezeigte Vorrichtung entspricht insoweit der Vorrichtung der 1. Anders als in 1 weist jedoch hier die Düse 3 eine kreisförmige Düsenöffnung 78 auf, während die Durchtrittsöffnung 8 durch eine gesonderte Schablone 79 oder ein gesondertes Formblech 79 gebildet wird, die bzw. das eine quadratische Durchtrittsöffnung 8 aufweist. In diesem Fall dient die Schablone 79 bzw. das Formblech 79 als Blende, die zumindest zwei gerade Kanten aufweist und den Umfang der Materialstränge 2a, 2b formt. Die Schablone 79 bzw. Formbleche 79 können hierbei wie Rakel- oder Schabeisen funktionieren.
Die Erfindung ermöglicht es, Bauteile mit größerer Festigkeit herzustellen, da die Kontaktflächen größer sind. Dies resultiert aus der in der folgenden Gleichung gezeigten grundlegenden Erkenntnis von Hooke: $σ_{x} = \begin{matrix} E_{x} \\ A' \end{matrix}$
nach der die Vergrößerung der beanspruchten Fläche bei gleichbleibender Kraft eine Reduzierung der auftretenden Spannung zur Folge hat.
Die erfindungsgemäße Geometrie der Durchtrittsfläche mit zumindest zwei geraden Kanten ermöglicht es, definierte Kontaktflächen auszubilden, was ein Vorteil gegenüber den prinzipiell infinitesimalen Kontaktflächen ist, die sich durch kreisförmige Durchtrittsöffnungen ergeben. Diese bilden lediglich durch die Deformation des Materials eine Kontaktfläche aus, die jedoch im Wesentlichen von der Deformierbarkeit des Materials abhängig ist, die wiederum insbesondere von der Temperatur des Materials abhängig ist. Die Größe der Kontaktfläche ist daher im erfindungsgemäßen Vorgehen deutlich besser kontrollierbar als im Stand der Technik.
Die Wahl der Düsengeometrie erlaubt es außerdem, Oberflächeneigenschaften wie Rauheit und Haptik der gefertigten Objekte anwendungsbezogen einzustellen und, beispielsweise durch die Verringerung des ungenutzten Kontaktraums, gegenüber dem Stand der Technik deutlich zu optimieren. Mit einer rechteckigen Durchtrittsöffnung 8 lässt sich die Abweichung im Bereich 51 vom Modell sogar vollständig eliminieren.
Die von der Erfindung vorgeschlagene Lösung ist außerdem sehr kostengünstig, da sie realisiert werden kann, indem lediglich in bestehenden Anlagen eine Düse mit entsprechender Durchtrittsöffnung eingesetzt wird. Nach Bedarf kann außerdem eine Drehvorrichtung eingeführt werden.
Die Erfindung ist wie beschrieben besonders vorteilhaft im FLM-Verfahren anwendbar. Dieses erstreckt sich gegenwärtig bereits über fast alle Branchen des produzierenden Gewerbes und findet dabei kontinuierliche Erweiterungen. Schwerpunktmäßig wird dieses Verfahren in der Automobilindustrie, dem Werkzeug- und Formenbau, der Medizintechnik, dem Sondermaschinenbau, der Luft- und Raumfahrttechnik sowie bei der Herstellung von Gummi- und Kunststoffwaren eingesetzt. Es werden in der Regel Designstudien, Prototypen, Kleinserien, Urformwerkzeuge und Formkerne, Prothesen und Orthesen sowie allgemein, Bauteile mit komplexen Funktions- und Geometrieeigenschaften hergestellt. Vorrangig verwendete Werkstoffe sind hierbei Kunststoffe. Durch die Tatsache, dass beim FLM-Verfahren kaum Einschränkungen in der anforderungsspezifischen Konstruktion und Herstellung komplexester Geometrien z. B. mit Hinterschneidungen, spiralförmigen Hohlkanälen für unterschiedliche Medien sowie für Strom oder Signale bestehen, werden in einer stetig steigenden Zahl von Unternehmen entsprechende Maschinen und Anlagen installiert, in denen die beschriebene Erfindung potenziell eingesetzt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015016823 A1 [0011, 0016]

Claims

3D-Druckvorrichtung aufweisend eine Blende, die eine Durchtrittsfläche für den Durchtritt eines Druckmaterials auf zumindest einem Teil eines Umfangs der Durchtrittsfläche begrenzt, wobei die Blende die Durchtrittsfläche mit zumindest zwei geraden Kanten begrenzt.
3D-Druckvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Durchtrittsfläche in einer Richtung größer ist als in einer dazu senkrechten Richtung.
3D-Druckvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Blende eingerichtet ist, einen Umfang des die Durchtrittsfläche durchtretenden Druckmaterials auf einem Teil dieses Umfangs oder auf dem gesamten Umfang zu formen, wenn das Druckmaterial die Durchtrittsfläche durchtritt.
3D-Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei geraden Kanten einander gegenüberliegen.
3D-Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei geraden Kanten parallel zueinander liegen.
3D-Druckvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich zumindest eine oder zwei der zumindest zwei geraden Kanten in jene Richtung erstrecken, in der die Durchtrittsfläche größer ist als in der dazu senkrechten Richtung.
3D-Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Blende eine Austrittsöffnung einer Düse ist.
3D-Druckvorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Austrittsöffnung eine nicht quadratische Rechteckform, eine Langlochform mit den zwei geraden Kanten und zwei die geraden Kanten verbindenden runden Kanten, eine Langlochform mit zwei die geraden Kanten verbindenden konkaven Kanten, eine Parallelogrammform, vorzugweise mit zwei unterschiedliche Kantenlängen, oder eine Sechseckform hat.
3D-Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend eine Vorschubvorrichtung, die eingerichtet ist, die Blende in zumindest eine Vorschubrichtung zu verschieben, und weiter aufweisend eine Drehvorrichtung, die eingerichtet ist, die Blende um eine auf der Durchtrittsfläche senkrecht stehende Richtung, vorzugsweise um eine zur Vorschubrichtung senkrechte Richtung, zu drehen.
3D-Druckvorrichtgung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Blende drehbar gelagert ist und wobei die Drehvorrichtung einen Motor aufweist, der mit der Blende über ein Zahnradgetriebe verbunden ist, wobei vorzugsweise eine Drehachse des Motors parallel steht zu der Richtung, um welche die Blende drehbar ist.
3D-Druckvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Blende durch die Drehvorrichtung so drehbar ist, dass eine Orientierung der Blende relativ zur aktuellen Vorschubrichtung konstant bleibt.
3D-Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Blende durch die Drehvorrichtung so drehbar ist, dass sich die Orientierung der Blende relativ zur aktuellen Vorschubrichtung ändert.
3D-Druckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die 3D-Druckvorrichtung eine Fused Layer Modeling-Vorrichtung ist.
Verfahren zum 3D-Drucken eines Objektes mit einem Druckmaterial, wobei das Druckmaterial durch eine Durchtrittsfläche ausgegeben wird, die von einer Blende auf zumindest einem Teil ihres Umfangs begrenzt wird, wobei die Blende die Durchtrittsfläche mit zumindest zwei geraden Kanten begrenzt, und wobei ein Umfang des durch die Durchtrittsfläche ausgegebenen Druckmaterials auf einem Teil des Umfangs oder auf dem gesamten Umfang durch die Blende geformt wird, wenn das Druckmaterial die Durchtrittsfläche durchtritt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Durchtrittsfläche in einer Richtung größer ist als in einer dazu senkrechten Richtung.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Asprüche, wobei die Blende gegenüber einer Ablagefläche, auf der das Druckmaterial abgelegt wird, verschoben wird und gleichzeitig so gedreht wird, dass sich eine Orientierung der Blende relativ zur jeweiligen Vorschubrichtung nicht ändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Blende gegenüber eine Ablagefläche, auf der das Druckmaterial abgelegt wird, verschoben wird und gleichzeitig so gedreht wird, dass sich eine Orientierung der Blende relativ zur jeweiligen Vorschubrichtung ändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei das Druckmaterial ein thermoplastisches Material aufweist oder ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgeführt wird.