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Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten Extruder einer Werkzeugmaschine zur additiven Fertigung.
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Extruder und Werkzeugmaschinen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Bei Werkzeugmaschinen zur additiven Fertigung wird üblicherweise ein Pulver, insbesondere Metall, auf eine Werkstückoberfläche aufgebracht und dann beispielsweise mittels einer Lasers aufgeschweißt. Anschließend erfolgt der nächste Pulverauftrag und der nächste Schritt des Anschweißens, um das Werkstück additiv zu fertigen. Aus der
DE 11 2016 002 368 T5 ist eine Werkzeugmaschine zur subtraktiven und additiven Fertigung bekannt. Werkzeugmaschinen zur additiven Fertigung werden hierbei üblicherweise ausschließlich mit metallischen Werkstoffen betrieben. Es gibt jedoch viele Anwendungen, insbesondere im Kunststoffbereich, bei denen ein Laserauftragsschweißen aufgrund der hohen Temperaturen ungeeignet ist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Extruder einer Werkzeugmaschine zur additiven Fertigung bereitzustellen, welcher bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit insbesondere eine additive Fertigung von Werkstücken mittels Kunststoff, insbesondere als Standardgranulat, bei höchster Präzision ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Extruder mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
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Der erfindungsgemäße Extruder einer Werkzeugmaschine zur additiven Fertigung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass eine sehr genaue und schnelle Fertigung von Werkstücken in additiver Weise mittels eines Extruders möglich ist. Dabei ist der Extruder sehr einfach aufgebaut und weist ein geringes Gewicht auf. Der Extruder ist dabei eine autarke Einheit mit eigenem Antrieb zum Antreiben einer zentralen Schnecke. Ferner weist der Extruder ein Zwischenlager zur Lagerung von Granulat auf. Das Zwischenlager weist einen sich verjüngenden Wandbereich auf, wobei die zentrale Schnecke durch das Zwischenlager hindurchgeführt ist. Ferner ist eine Düse vorgesehen, welche in Axialrichtung der Schnecke an einem Ende der Schnecke angeordnet ist. Somit wird ein sehr kompakter Aufbau des Extruders erhalten. Der Extruder kann ein strangweisen Schmelzaustrag ausbringen, wobei eine Relativbewegung zwischen dem Extruder und der Oberfläche, d.h. dem Werkstück, ausgeführt wird. Durch die Anordnung der zentralen Schnecke durch das Zwischenlager hindurch ergibt sich eine konzentrische Einzugszone zur Mittelachse der Schnecke. Dadurch kann eine Reduzierung einer Austragsschwankung des Extruders erreicht werden. Insbesondere wird eine gleichmäßige Förderung des Granulats aus dem Zwischenlager durch die Schneckengänge des Extruders ermöglicht. Es ergibt sich eine robuste und konstante Feststoffförderung. Dabei wird der zu verarbeitende Kunststoff bevorzugt als Standardgranulat zugeführt und eingesetzt. Dadurch lassen sich Produktkosten deutlich reduzieren und eine breitere Materialpalette nutzbar machen. Da die Schnecke durch das Zwischenlager hindurchgeführt ist, ergibt sich auch eine Erwärmung und Trocknung des Granulats im Zwischenlager, da sich die Schnecke im Betrieb erwärmt und der konzentrische Einzugsbereich im Betrieb über Umgebungstemperatur liegt. Üblicherweise liegen die Einzugszonentemperaturen im Bereich üblicher Trocknungstemperaturen von 60 °C bis 80 °C. Somit kann auf eine separate, vorgeschaltete Trocknungseinheit verzichtet werden. Im Zwischenlagerbereich ist vorzugsweise eine Druckluftbeaufschlagung vorgesehen. Diese ist weiterhin vorzugsweise mit der Temperierung der Einzugszone direkt oder indirekt verbunden.
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Der sich verjüngende Wandbereich ist vorzugsweise konisch ausgebildet. Hierdurch kann eine einfach aufgebaute Geometrie des Zwischenlagers sichergestellt werden und die konzentrische Einzugszone einfach ausgestaltet werden. Besonders bevorzugt ist dabei eine Mittelachse des konischen Wandbereichs und eine Mittelachse der zentralen Schnecke identisch. Hierdurch wird ein einfacher symmetrischer Aufbau erreicht.
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Weiter bevorzugt umfasst der Extruder ferner eine Verschlusseinheit, umfassend eine Verschlussnadel und einen Antrieb für die Verschlussnadel. Die Verschlussnadel ist dabei eingerichtet, die Düse freizugeben und zu verschließen. Die Verschlussnadel ist bevorzugt dabei derart angeordnet, dass die Düse nahe an oder direkt an der Austrittsöffnung der Düse die Düse verschließt und freigibt. Dies ermöglicht eine genaue Fertigung eines additiven Werkstücks, da durch die Verschlussnadel ein exakter Beginn und ein exaktes Ende des additiven Fertigungsprozesses ermöglicht wird.
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Weiter bevorzugt ist die Verschlussnadel eingerichtet, in unterschiedlichen Stellungen die Düse freizugeben und zu verschließen. Dadurch kann eine unterschiedliche Durchströmungsmenge des Materials über die Zeit eingestellt werden und unterschiedliche dreidimensionale Profile des Werkstücks erzeugt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Extruder eine erste und eine zweite Kupplungseinheit. Die erste Kupplungseinheit ist eingerichtet, um mit einer Handhabungseinrichtung verbunden zu werden. Dadurch kann eine Bewegung und Positionierung des Extruders ermöglicht werden. Die zweite Kupplungseinheit ist eingerichtet, um mit einer Werkzeugaufnahme in einem Werkzeuglager verbunden zu werden. Dadurch kann der Extruder bei Nichtgebrauch sicher im Werkzeuglager gelagert werden und insbesondere auch durch die Handhabungseinheit wieder sicher gegriffen werden, da die erste Kupplungseinheit nicht zur Lagerung im Werkzeuglager verwendet wird, sondern frei liegt. Die zweite Kupplungseinheit zum Werkzeuglager ermöglicht zudem die Temperierung und Nutzung der Antriebseinheit des Extruders während der Lagerung im Werkzeuglager. Dadurch kann der Extruder im Werkzeuglager bspw. gespült oder der Austrag bei wechselnden zu verarbeitenden Kunststoffen kalibriert werden.
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Weiter bevorzugt umfasst der Extruder Kühlrippen, welche an einer Außenseite des sich verjüngenden Wandbereichs angeordnet sind. Dadurch kann in der Einzugszone eine gewisse Wärmeabfuhr erreicht werden, um ein zu frühes Schmelzen des Materials zu vermeiden. Übliche Einzugszonentemperaturen liegen in einem Bereich zwischen 60 °C und 80 °C.
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Vorzugsweise ist der Extruder der Werkzeugmaschine zur additiven Fertigung in einem Winkelbereich von +/- 60° um eine Vertikale angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Extruder dabei exakt vertikal angeordnet.
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Weiter bevorzugt ist die Schnecke in Axialrichtung der Schnecke um einen vorbestimmten Betrag, insbesondere wenige Millimeter, beispielsweise 3 mm, frei beweglich gelagert. Hierdurch kann insbesondere eine gleichmäßige Materialzuführung durch die Schnecke sichergestellt werden. Ferner kann, wenn die Verschlussnadel die Düse verschließt, die Schnecke auch weiter betrieben werden und axial nach hinten fort von der Düse bewegt werden, und dann, sobald die Verschlussnadel die Düse wieder frei gibt, wieder in Richtung zur Düse in die Ausgangsposition zurückbewegt werden. Dadurch wird eine Steuerung der Schnecke vereinfacht.
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Weiter bevorzugt ist der Antrieb ein umkehrbarer Antrieb. Dadurch ist eine Drehrichtung der Schnecke umkehrbar, so dass auch eine Rückförderung des Materials durch die Schnecke in Richtung zum Zwischenlager möglich ist.
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Die sich verjüngende Einzugszone ermöglicht ferner bei einem gegebenen Grunddurchmesser des Extruders eine Gangtiefe des Extruders zu erhöhen. Dabei können insbesondere auch Langstapelgranularen verarbeitet werden.
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Vorzugsweise ist an dem Zwischenlager eine Füllstandssensorik zur Bestimmung eines Füllstandes des Zwischenlagers vorgesehen. Dadurch kann eine Nachförderung, insbesondere bei Vorsehen eines zusätzlichen Trichters, vereinfacht ausgeführt werden.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Extruders gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 2 eine schematische Ansicht einer additiv fertigenden Werkzeugmaschine mit einem Extruder gemäß 1.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Extruder 1 einer additiv fertigenden Werkzeugmaschine 100 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Extruder 1 eine zentrale Schnecke 2, welche in einem Gehäuse 12 angeordnet ist.
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Die zentrale Schnecke 2 ist in Vertikalrichtung ausgerichtet.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Extruder 1 ein Zwischenlager 3. Das Zwischenlager 3 ist an einem von einer Spitze der Schnecke 2 entfernten Bereich angeordnet. Das Zwischenlager 3 weist einen sich verjüngenden Wandbereich 30 auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist der sich verjüngende Wandbereich konisch ausgebildet.
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Der Extruder 1 umfasst ferner einen eigenen Antrieb 4. Dabei ist eine Verbindung zwischen der Schnecke 2 und dem Antrieb 4 derart, dass die Schnecke 2, wie in 1 durch den Doppelpfeil A angedeutet, in Axialrichtung X-X der Schnecke 2 um wenige Millimeter bewegbar ist.
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Am Zwischenlager 3 ist ferner eine Granulatzuführung 11 zur Zuführung eines Kunststoffgranulats angeordnet.
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Der Extruder 1 umfasst ferner eine Düse 5 und eine Verschlusseinheit 6, um die Düse 5 zu verschließen. Die Verschlusseinheit 6 umfasst eine Nadel 60 und einen Verschlussantrieb 61. Der Verschlussantrieb 61 ist beispielsweise ein pneumatisch oder hydraulisch betätigbarer Kolben, welcher mit der Verschlussnadel 60 verbunden ist.
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Am Extruder 1 ist ferner eine erste Kupplungseinheit 7 für einen Werkzeugträger und eine zweite Kupplungseinheit 8 für eine Handhabungseinrichtung angeordnet. Wie aus 1 ersichtlich ist, sind die erste und zweite Kupplungseinheit am Extruder 1 an einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet.
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Am Gehäuse 12 im Bereich des Zwischenlagers 3 sind ferner mehrere Kühlrippen 9 an einer Außenseite des Gehäuses 12 angeordnet.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind am Gehäuse 12 im Bereich des Schneckengangs der Schnecke 2 mehrere Heizelemente 10 angeordnet. Ein weiteres Heizelement 10 ist ferner im Bereich der Düse 5 vorgesehen (vgl. 1).
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2 zeigt schematisch eine additiv fertigende Werkzeugmaschine 100 mit einem Extruder 1, wie in 1 beschrieben. Die Werkzeugmaschine 100 umfasst eine Handhabungseinrichtung 102, welche beispielsweise ein sechsachsiger Roboter sein kann. Die Werkzeugmaschine 100 ist modulartig aufgebaut, wobei ein erstes Modul der Extruder 1 ist. Ein weiteres Modul ist ein Werkzeuglager 101, welches schematisch in 2 dargestellt ist. Das Werkzeuglager 101 dient zur Aufnahme weiterer Werkzeuge, welche mittels der Handhabungseinrichtung 102 gewechselt werden können und an einem Werkstück 20 entsprechende Arbeiten ausführen können. Beispielhaft ist 2 im Werkzeuglager 101 ein Fräser 21 dargestellt.
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Da der Extruder 1 eine erste und zweite Kupplungseinheit 7, 8 aufweist, ist ein schneller Wechsel des Werkzeugs mittels der Handhabungseinrichtung 102 möglich. Die Handhabungseinrichtung 102 ist in diesem Ausführungsbeispiel auch die ausführende Einheit, welche beispielsweise den Extruder 1 entsprechend einem gewünschten Programm zur Herstellung eines additiv gefertigten Bauteils führt. Hierzu kann die Handhabungseinrichtung 102 ein entsprechendes Positionierungssystem 104 umfassen. Alternativ kann dieses Positionierungssystem auch außerhalb der Werkzeugmaschine angeordnet sein.
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Die Werkzeugmaschine 100 ist in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Maschinengehäuse 103 angeordnet. Weitere Module können hier bei der Werkzeugmaschine 100 vorgesehen werden, wie beispielsweise eine Kalibrierstation zur Messung einer Austragsrate des Extruders 1 und Bestimmung einer Extrusionsbreite mittels einer Profil breitenmessung.
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Somit kann eine plastifizierende, additive Fertigung mittels der Werkzeugmaschine 100 ausgeführt werden. Dabei wird ein strangweiser Schmelzaustrag aus der Düse 5 des Extruders 1 auf ein Werkstück 20 aufgebracht. Durch den automatisierten Werkzeugwechselprozess können auch weitere Fertigungsverfahren, insbesondere subtraktive Verfahren wie Fräsen oder dgl., ausgeführt werden. Der modulartige Aufbau erlaubt ferner auch beispielsweise eine Anordnung von zwei oder mehreren Werkzeugmaschinen mit einer gemeinsamen Steuereinheit. Auch kann die Werkzeugmaschine auf einfache Weise in eine komplette Fertigungsstraße integriert werden, beispielsweise im Anschluss oder im Vorfeld einer Spritzgießfertigung. Dabei können auch Dreh-Kipp-Tische oder andere bewegbare Anordnungen vorgesehen werden, um eine Flexibilität der Fertigungsstraße zu erhöhen.
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Der Extruder kann entweder mit einer sequentiellen Beschickung mittels eines Trichters oder dgl. betrieben werden oder alternativ durch eine kontinuierliche Förderung von Material betrieben werden. Auch ist durch das Zwischenlager 3 an der Schnecke 2, die sich im Betrieb erwärmt, eine Trocknung des Materials integriert, um beispielsweise bei Verwendung von Thermoplasten ein ungewolltes Aufschäumen der Thermoplastschmelze zu verhindern. Optional kann ferner auch noch eine Recycling-Station vorgesehen werden, um Ausschuss oder andere Materialreste zu recyceln.
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Auch kann durch gezielte Einbringung eines chemischen Treibmittels eine Schaumextrusion ausgeführt werden. Dadurch kann eine gezielte und kontrollierte Aufschäumung des hergestellten Bauteils erreicht werden, um beispielsweise elastische Eigenschaften oder Leichtbaueigenschaften zu realisieren. Dies ermöglicht ferner auch eine Verarbeitung von schwindungsreichen Thermoplasten.
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Weiterhin ist es möglich, dass auch Thermoplaste mit Zusätzen, wie beispielsweise Metallzusätzen und/oder Keramikzusätzen und/oder Faserzusätzen, verarbeitet werden können. Hierbei ist insbesondere das Zwischenlager 3 mit konischem Bereich hilfreich, insbesondere bei der Verarbeitung von langglasfaserverstärkten Thermoplasten.
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Weiterhin kann eine Steuerung für den Antrieb 61 der Verschlusseinheit 6 vorgesehen sein derart, dass die Verschlussnadel 60 auch Zwischenpositionen einnehmen kann, in welchen die Düse 5 nicht vollständig geöffnet oder geschlossen ist. Dadurch dient die Verschlussnadel 60 als Drosselstelle, so dass auch eine Dicke der aufgebrachten Materialraupe trotz konstanter Drehzahl der Schnecke 2 einstellbar ist. Die Dicke der Materialraupe kann hierbei auch während eines Aufbringens eines einzelnen Materialstrangs geändert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Extruder
- 2
- Schnecke
- 3
- Zwischenlager
- 4
- Antrieb der Schnecke
- 5
- Düse
- 6
- Verschlusseinheit
- 7
- erste Kupplungseinheit Werkzeugträger
- 8
- zweite Kupplungseinheit Handhabungseinrichtung
- 9
- Kühlrippen
- 10
- Heizelement
- 11
- Granulatzuführung
- 12
- Gehäuse
- 20
- Werkstück
- 21
- Fräser
- 30
- verjüngender Wandbereich
- 60
- Nadel
- 61
- Antrieb der Verschlusseinheit
- 100
- Werkzeugmaschine
- 101
- Werkzeuglager
- 102
- Handhabungseinrichtung
- 103
- Maschinengehäuse
- 104
- Positionierungssystem
- X-X
- Axialrichtung der Schnecke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112016002368 T5 [0002]
