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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Fertigung. Im Stand der Technik sind zahlreiche Vorrichtungen und Verfahren zur additiven Fertigung bekannt, die im Folgenden der Einfachheit halber als 3D-Druckvorrichtung und 3D-Druckverfahren bezeichnet werden. Diesen Vorrichtungen und Verfahren ist gemeinsam, dass ein Bauteil aufgebaut wird, indem Materialschichten übereinandergelegt und fest miteinander verbunden werden, wobei die Schichten Schnitte durch das herzustellende Bauteil darstellen.
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Als ein Beispiel wird unter Bezugnahme auf 1 rein schematisch ein Beispiel einer 3D-Druckvorrichtung 1000 gemäß dem Stand der Technik beschrieben.
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Die Vorrichtung 1000 weist einen Druckkopf 110 auf, der in seinem sogenannten Hot-End eine elektrisch beheizte Düse 112 enthält, die ein Kunststoffmaterial aufschmilzt, das beispielsweise von einer Rolle 116 als Filament 114 zugeführt wird. Dazu ist am Druckkopf oder auch entfernt vom Druckkopf eine Materialzufuhrvorrichtung vorgesehen, die das Filament 114 greift und in Richtung der Düse zuführt. Das Filament 114 ist ein Thermoplast, wie etwa PLA (Polylactid), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), PETG (mit Glykol modifiziertes Polyethylenterephthalat), das über das Hot-End aufgeschmolzen und über die Düse 112 nach unten ausgetragen wird.
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Unterhalb des Druckkopfes befindet sich ein Druckbett 200 mit einer horizontalen Oberfläche, auf der das herzustellende Bauteil aufgebaut wird. Zur Verbesserung der Anhaftung des Kunststoffmaterials ist das Druckbett 200 häufig beschichtet, wie etwa mit PEI (Polyetherimid) und auch elektrisch beheizt.
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Der Druckkopf 110 und das Druckbett 200 sind relativ zueinander in der horizontalen Ebene verfahrbar, so dass die Düse 112 des Druckkopfes 110 jeden bedruckbaren Punkt des Druckbetts 200 erreichen kann. Im vorliegenden Beispiel ist der Druckkopf 110 auf einer horizontal in einer X-Richtung verlaufenden Führung 300 über eine Kugelumlaufspindel 320 und einen Antriebsmotor 340 verfahrbar. Das Druckbett 200 ist auf einer horizontal in einer Y-Richtung verlaufenden Führung 400 über eine Kugelumlaufspindel 420 und einen weiteren Antriebsmotor 440 verfahrbar, wobei die horizontale Y-Richtung rechtwinklig zu der horizontalen X-Richtung angeordnet ist. In der vertikalen Richtung, der Z-Richtung, die senkrecht zu der durch die X-Richtung und Y-Richtung aufgespannten horizontalen Ebene steht, ist der Druckkopf 110, und damit die Düse 112, relativ zu dem Druckbett 200 in vertikaler Richtung auf einer Führung 500 über eine Kugelumlaufspindel 520 und einen nochmals weiteren Antriebsmotor 540 verfahrbar. Mit fortschreitendem Druck entfernt sich der Druckkopf 110 mit seiner Druckdüse 112 nach jeder gedruckten Schicht um eine Schichtstärke von dem Druckbett 200.
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Der Druck wird von einer nicht dargestellten Steuerungsvorrichtung gesteuert. Diese führt sogenannten „GCODE“ aus, der dazu dient, die Antriebsmotoren für die X-, Y- und Z-Richtung, den Vorschub des zu druckenden Filaments, die Temperatur der Düse 112 und des Druckbetts 200 und zahlreiche weitere Parameter zu steuern, die hier nicht weiter beschrieben werden.
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Der GCODE wird von einem sogenannten Slicer-Programm zumeist an einem PC aus einer über eine 3D-CAD-Programm erstellte Modelldatei generiert. Der Slicer zerlegt hierzu das 3D-Modell des herzustellenden Bauteils in einzelne Schichten. Auch die Druckparameter, wie etwa das verwendete Material mit der zugehörigen Schmelztemperatur, Wandstärken, Füllstrukturen, die Verfahrgeschwindigkeiten des Druckkopfes, um nur einige zu nennen, werden von dem und über das Slicer-Programm festgelegt.
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Zu Beginn des Drucks verfährt der Druckkopf 110 mit seiner Düse 112 vertikal bis knapp über das Druckbett 200 und beginnt, geschmolzenes Filament auf das Druckbett 200 auszutragen. Der Druckkopf 110 mit seiner Düse 112 und das Druckbett 200 verfahren, von der Steuerungsvorrichtung gemäß dem GCODE gesteuert, relativ zueinander, um die erste Schicht des herzustellenden Bauteils vollständig auf das Druckbett 200 zu drucken. Nach Beendigung der ersten Schicht entfernen sich der Druckkopf 110 mit seiner Düse 112 von dem Druckbett 200 um die Schichtdicke der nächsten zu druckenden Schicht in vertikaler Z-Richtung und es beginnt der Druck der nächsten Schicht. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die letzte Schicht gedruckt worden ist. Damit ist der Druck beendet. Das fertige Bauteil kann von dem Druckbett abgenommen werden.
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Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass es zahlreiche andere Druckertypen und Bewegungsarten von Druckköpfen und Druckbetten gibt. So kann z.B. allein der Druckkopf mit seiner Düse in alle drei Raumrichtungen X, Y, und Z bewegt werden, wobei das Druckbett ortsfest ist
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Es kann sein, dass das Druckbett in vertikaler Richtung verfahren wird und der Druckkopf in vertikaler Richtung ortsfest ist.
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Es kann sein, dass das Druckbett sowohl in der X-Richtung aus auch in der Y-Richtung verfahrbar ist.
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Der Druckkopf kann über einen Roboterarm oder auch eine Tripod-Kinematik bewegt werden.
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Anstelle eines Filamentmaterials kann auch ein Pulver, beispielsweise ein Aluminiumpulver, schichtweise auf ein horizontal liegendes Druckbett aufgebracht und lokal über einen Laser aufgeschmolzen und verbunden werden. Der Laser wird dabei wie in Bezug auf den Filamentdruck oben beschrieben, relativ zu dem Druckbett bewegt.
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Es kann auch ein UV-aushärtbares Harz in eine flache Schale eingelassen und über beispielsweise eine UV-Lichtquelle lokal schichtweise ausgehärtet werden, wobei der UV-Lichtstrahl im Prinzip das Druckbett wie oben in Bezug auf den Filamentdruck beschrieben abtastet.
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Es ist auch bekannt, eine rundes Druckbett zu verwenden, das um eine vertikale Achse drehbar ist.
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Zumindest Filamentdrucker haben bezüglich der herstellbaren Bauteile gewisse Einschränkungen:
- Es ist ohne die Verwendung sogenannter Stützstrukturen nicht möglich, horizontal rechtwinklig auskragende Vorsprünge an einem herzustellenden Bauteil zu bilden, da nicht „in der Luft“ gedruckt werden kann. Wenn ein Bauteil 900, wie etwa die in 2 gezeigte Hülse mit dem zylindrischen Grundkörper 910, dem radial abstehenden Steg 940 und den beiden radial abstehenden Vorsprüngen 920 und 930 gedruckt werden soll, müssten an dem Bauteil verbleibende abstützende Schrägen an der Unterseite des Stegs 940 und der beiden Vorsprünge 920, 930 bereits bei der 3D-Konstruktion vorgesehen werden. Wenn solche Schrägen entwurfsbedingt nicht vorhanden sein dürfen,
- bleibt nur übrig, den Steg 940 und die beiden radial abstehenden Vorsprünge 920, 930 vom Druckbett 200 und ggf. vom Bauteil 900 her über Stützstrukturen abzustützen, die mitgedruckt aber vom fertigen Bauteil 900 entfernt werden müssen, was Nacharbeit erfordert. Auch ist die Auflagefläche 960 auf dem Druckbett 200 durch die Bohrung 950 durch das Bauteil 900 hindurch gering, so dass ein stabiler Stand nicht gewährleistet ist,
- und zumindest mit einem Stützrand, „Brim“ genannt, gedruckt werden muss. Dieses Problem ist bei zylindrischen Körpern mit großem Querschnittsverhältnis, d.h. mit einer großen Länge und einem relativ dazu kleinen Querschnitt, noch gravierender. Längere Gewindespindeln oder Schrauben finden mit ihrer kleinen Querschnittsfläche keinen sicheren Stand beim Druck auf dem Druckbett. Hier helfen auch Stützstrukturen, wie Brims, nicht weiter. Beim Druck wird sich die aufrecht stehende Schraube oder Spindel vom Druckbett lösen und umfallen. Ein liegender Druck scheidet durch die fehlende Auflagefläche an dem Bauteil ebenfalls aus. Manchmal behilft man sich in der Fachwelt durch Zerlegen eines schwierig zu druckenden Bauteils in mehrere einzelne besser zu druckende Teile und anschließendes Zusammensetzen der Einzelteile zu dem gesamten Bauteil, etwa durch Verkleben. Diese Vorgehensweise ist jedoch aufwändig und fehleranfällig.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine 3D-Druckvorrichtung und ein 3D-Druckverfahren zur Verfügung zu stellen, die die vorstehend erwähnten Probleme lösen, d.h. für den Druck runder und insbesondere länglicher runder Bauteile mit und ohne Auskragungen besonders gut geeignet sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine 3D-Druckvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein 3D-Druckverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist eine 3D-Druckvorrichtung vorgesehen, umfassend
- - eine Materialzufuhr für Material zum Bilden eines dreidimensionalen Bauteils als Schichtkörper aus übereinandergelegten Schichten des Materials,
- - zumindest einen Druckkopf zum Aufschmelzen oder Aushärten des zugeführten Materials, um miteinander verschmolzene Schichten des Materials zu bilden,
- - einen Träger für das zu bildende dreidimensionale Bauteil,
- - eine erste Antriebsvorrichtung zum Bewegen des Druckkopfes oder des Trägers in einer vertikalen Richtung, so dass der relative Abstand zwischen dem Druckkopf und dem Träger zunimmt,
- - eine zweite Antriebsvorrichtung zum Bewegen des Druckkopfes oder des Trägers in einer ersten horizontalen Richtung,
- - eine dritte Antriebsvorrichtung zum Bewegen des Druckkopfes oder des Trägers in einer zweiten Richtung,
dadurch gekennzeichnet, dass
- - der Träger zumindest teilweise als gerader Zylinder ausgebildet ist, dessen Mittelachse in der ersten horizontalen Richtung verläuft,
- - die dritte Antriebsvorrichtung zum drehbaren Antreiben des Träger um die horizontale Mittelachse ausgebildet ist, so dass durch die zweite Antriebsvorrichtung und die dritte Antriebsvorrichtung jeder Punkt auf der Mantelfläche des geraden Zylinders selektiv unter den Druckkopf bewegbar ist oder der Druckkopf selektiv über jeden Punkt auf der Mantelfläche des geraden Zylinders bewegbar ist.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, Körper mit insbesondere zylindrischer Grundform und radial abstehenden Fortsätzen, unter Verzicht auf Stützstrukturen der abstehenden Fortsätze auf eine effektive Weise additiv zu fertigen. Auch ist es möglich, Körper mit insbesondere zylindrischer Grundform und einem großen Verhältnis von Länge zu Querschnittsfläche einfach und zuverlässig zu drucken, ohne dass die Gefahr besteht, dass das zu druckende Objekt während des Drucks umfällt oder sich verschiebt.
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Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung ist der Träger als dauerhafter Träger ausgebildet, von welchem das gedruckte Bauteil nach dem Druck abgenommen wird.
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Der Träger wird in diesem Fall wiederverwendet, so dass er umfangreicher ausgestattet sein kann, etwa mit Heizelementen und Temperatursensoren. Geeignet ist die entsprechende Vorrichtung für Bauteile mit hohlzylindrischer Grundform
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung verbleibt der Träger nach dem Druck des Bauteils zumindest teilweise als Kern in dem gedruckten Bauteil.
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Diese Vorrichtung ermöglicht den Druck massiver, schlanker Körper mit zylindrischer Grundform, wie z.B. Gewindespindeln oder Keilwellen.
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Gemäß einer weiter Weiterbildung der erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung weist der Träger eine integrierte Heizung auf oder ist von außen über eine Heizung beheizbar.
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Je nach zu druckendem Werkstoff ist es hilfreich oder auch notwendig, den Träger zumindest zu Beginn des Drucks zu beheizen, um die Anhaftung des gedruckten Bauteils am Träger zu gewährleisten und ggf. nach dem Abkühlen das fertige Bauteil leicht vom Träger entfernen zu können. Im Inneren des Trägers können Heizelemente vorgesehen sein. Von außen kann der Träger über eine Infrarotheizung beheizt sein.
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Gemäß einer nochmals weiteren Weiterbildung der erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung ist der Träger ein sich über die zu druckende Länge des Bauteils hinaus erstreckender Strang, der an zwei entgegengesetzten Enden in Drehhalterungen eingespannt ist.
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Dies erlaubt es, einen Träger zu verwenden, der z.B. von einer Rolle zugeführt wird und von dieser je nach Länge des zu druckenden Bauteils vor oder nach dem Druck abgeschnitten wird.
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Gemäß einer abermals weiteren Weiterbildung der erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung besteht der Strang aus Kunststoff.
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Bei dieser Ausführungsform kann der Träger dann aus dem gleichen Material wie das zu druckende Bauteil bestehen, so dass dann, wenn der Träger in dem gedruckten Bauteil verbleibt, ein Bauteil aus einem einheitlichen Werkstoff resultiert.
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Alternativ besteht der Strang aus Metall. Wenn ein Stück des Metallstrangs in dem gedruckten Werkstück verbleibt, kann dieses als Verstärkung dienen, so dass sich ein gedrucktes Kunststoffbauteil mit festem Metallkern ergibt.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung wird der Strang aus Metall zu seiner Erwärmung mit einem elektrischen Strom beaufschlagt.
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Der Metallstrang kann als Widerstandsdraht betrieben werden, so dass seine Temperatur durch Hindurchleiten elektrischen Stroms derart erhöht werden kann, dass eine besonders gute Anhaftung des gedruckten Materials erreicht wird.
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Erfindungsgemäß ist auch ein 3D-Druckverfahren mit den folgenden Schritten vorgesehen:
- - Zuführen eines Materials zum Bilden eines dreidimensionalen Bauteils als Schichtkörper aus übereinanderliegenden Schichten des Materials,
- - Aufschmelzen oder Aushärten des zugeführten Materials durch einen Druckkopf, um miteinander verschmolzene Schichten des Materials zu bilden, Bewegen des Druckkopfes und eines Trägers für das zu bildende dreidimensionale Bauteil relativ zueinander in einer vertikalen Richtung durch eine erste Antriebsvorrichtung, so dass ihr relativer Abstand zunimmt,
- - Bewegen des Druckkopfes oder des Trägers in einer ersten horizontalen Richtung durch eine zweite Antriebsvorrichtung,
- - Bewegen des Druckkopfes oder des Trägers in einer zweiten Richtung durch eine dritte Antriebsvorrichtung, gekennzeichnet durch
- - Drehen des Trägers, der zumindest teilweise als gerader Zylinder ausgebildet ist, dessen Mittelachse in der ersten horizontalen Richtung verläuft, durch die dritte Antriebsvorrichtung um die horizontale Mittelachse, so dass durch die zweite Antriebsvorrichtung und die dritte Antriebsvorrichtung jeder Punkt auf der Mantelfläche des geraden Zylinders selektiv unter den Druckkopf bewegt wird oder der Druckkopf selektiv über jeden Punkt auf der Mantelfläche des geraden Zylinders bewegt wird.
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In Weiterbildungen des erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahrens wird der Träger nach dem Drucken des Bauteils von dem Bauteil entfernt oder verbleibt zumindest teilweise in dem gedruckten Bauteil.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt:
- 1 eine 3D-Druckvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
- 2 ein Bauteil, das mit der 3D-Druckvorrichtung gemäß dem Stand der Technik schlecht herstellbar ist;
- 3 eine 3D-Druckvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine erste Ausführungsform eines Trägers der 3D-Druckvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 5 eine zweite Ausführungsform eines Trägers der 3D-Druckvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
- 6 eine dritte Ausführungsform eines Trägers der 3D-Druckvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung 100. Diese weist einen Druckkopf 10 auf, der in seinem Hot-End eine elektrisch beheizte Düse 12 enthält, die ein Kunststoffmaterial aufschmilzt, das von einer Rolle 16 als Filament 14 zugeführt wird. Im Druckkopf ist eine Materialzufuhrvorrichtung vorgesehen, die das Filament greift und zu der Düse 12 transportiert. Das Filament 14 ist ein Thermoplast, wie etwa PLA (Polylactid), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), PETG (mit Glykol modifiziertes Polyethylenterephthalat), das über das Hot-End aufgeschmolzen und über die Düse 12 nach unten ausgetragen wird.
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Unterhalb des Druckkopfes 10 befindet sich ein als Walze oder gerader Zylinder ausgebildeter Träger 40 mit einer zylindrischen Mantelfläche, wobei die Mittellinie der Walze in Richtung der X-Achse verläuft und eine Drehachse M darstellt. Der Träger 40 weist zylindrische Verlängerungen 42 und 46 auf, die in Lagerböcken 60A, 60B drehbar gelagert sind. Der Träger 40 wird von einem Motor 44, vorzugsweise einem Schrittmotor, 44 über die zylindrische Verlängerung 42 drehbar angetrieben. Der Träger 40 kann in beide Drehrichtungen um seine Drehachse M herum angetrieben werden. Um ein auf, d.h. um den Träger herum gedrucktes Werkstück von dem Träger 40 abnehmen zu können, ist der Träger 40 über Lagerböcke 60A, 60B abnehmbar an den vertikalen Säulen 50 links und rechts der Vorrichtung 100 montiert. Die Lagerböcke 60A, 60B sind zweiteilig ausgeführt. Der jeweils untere Teil 62A, 62B ist fest an den vertikalen Säulen 50 befestigt. Der jeweils obere Teil 64A, 64B kann über Spannschrauben 66A, 66B unter Zwischenordnung des Trägers 40 mit ihren zylindrischen Verlängerungen 64, 62 an den jeweils unteren Teilen 62A, 62B befestigt werden. Die Entnahme des Trägers 40 erfolgt durch Lösen der Spannschrauben 66A, 66B. Der Träger 40 ist zur Verbesserung der Anhaftung des zu druckenden Bauteils mit PEI (Polyetherimid) beschichtet. Diese Art von Träger hat vorzugsweise einen Durchmesser an seiner zu bedruckenden Mantelfläche 5 mm oder mehr. Nach oben hin gibt es aber nur Grenzen, die durch die Größe des Druckers bestimmt werden.
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Der Druckkopf 10 ist relativ zu dem Träger in der vertikalen Z-Richtung vertikal und parallel zu dem Träger 40 in der horizontalen X-Richtung horizontal verfahrbar. Dazu ist der Druckkopf 10 horizontal entlang einer in einer X-Richtung verlaufenden Führung 30 über einen Kugelumlaufspindelmechanismus 32 mittels Antrieb durch einen als Schrittmotor 34 ausgebildeten Antriebsmotor und vertikal entlang einer in einer Z-Richtung verlaufenden Führung 50 über einen Kugelumlaufspindelmechanismus 52 mittels Antrieb durch einen als Schrittmotor 54 ausgebildeten Antriebsmotor bewegbar.
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Wird der Träger 40 durch den Schrittmotor 44 gedreht, kann die Düse 12 des Druckkopfes 10 jeden zu bedruckenden Punkt auf der Mantelfläche des Trägers 40 erreichen.
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Der Druck wird von einer nicht dargestellten Steuerungsvorrichtung gesteuert. Diese führt sogenannten GCODE aus, der dazu dient, die Antriebsmotoren für die X-, Y- und Z-Richtung, den Vorschub des zu druckenden Filaments, die Temperatur der Düse 112 und des Druckbetts 200 und zahlreiche weitere Parameter zu steuern, die hier nicht weiter beschrieben werden.
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Der GCODE wird von einem Slicer-Programm an einem PC aus einer über eine 3D-CAD-Programm erstellte Modelldatei generiert. Der Slicer zerlegt hierzu das 3D-Modell des herzustellenden Bauteils in einzelne Schichten. Auch die Druckparameter, wie etwa das verwendete Material mit der zugehörigen Schmelztemperatur, Wandstärken, Füllstrukturen und die Verfahrgeschwindigkeiten des Druckkopfes 10, um nur einige zu nennen, werden in dem Slicer-Programm festgelegt.
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Zu Beginn des Drucks verfährt der Druckkopf 10 mit seiner Düse 12 vertikal bis knapp über den Träger 40 und beginnt, geschmolzenes Filament 14 auf den Träger 40 aufzubringen. Der Druckkopf 10 mit seiner Düse 12 verfährt während des Drucks einer Schicht programmgesteuert schrittweise in X-Richtung und der Träger rotiert programmgesteuert schrittweise um die Drehachse M. Nach Abschluss des Drucks der ersten Schicht auf dem Träger 40 verfährt der Druckkopf 10 mit seiner Düse 12 um eine Schichtdicke vertikal nach oben in der Z-Richtung und es beginnt der Druck einer neuen Schicht auf der soeben gedruckten Schicht. Dies setzt sich bis zum Ende des Drucks der letzten Schicht fort. Das fertige Bauteil kann nun von dem Träger 40 abgenommen werden. Dazu werden die Spannschrauben 66A, 66B gelöst und die oberen Teile 64A, 64B der Lagerböcke 60A, 60B werden von den unteren Teilen 62A, 62B der Lagerböcke 60A, 60B abgenommen. Der Träger 40 samt gedrucktem Bauteil kann nun entfernt und das Bauteil von dem Träger gelöst werden.
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Gegebenenfalls kann das Bauteil unter Zuhilfenahme einer „Raft“ genannten Zwischenlage auf den Träger 40 gedruckt werden. Das Raft kann vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Bauteil gedruckt werden und ist von dem fertigen Bauteil entfernbar. Das Bauteil kann so leichter von dem Träger 40 gelöst werden. Auch kann eine Maßdifferenz zwischen dem Außendurchmesser des Trägers und dem Innendurchmesser des Bauteils überbrückt oder ausgeglichen werden.
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Es ist anzumerken, dass der Antrieb der Druckkopfes 10 und des Trägers 40 auf unterschiedliche Weise erfolgen kann. Statt der Kugelumlaufspindeln 32, 52 könne auch Riemenantriebe verwendet werden. Die Antriebsmotoren 44, 34 und 54 können jeweils direkt oder über Getriebe oder Riemen- bzw. Kettenantriebe ihren jeweils anzutreibenden Schlitten 10 oder Träger 40 antreiben.
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Es können an den Lagerböcken 60A, 60B zusätzlich Stellmechanismen zur korrekten Justierung der Lage der Mantelfläche des Trägers 40 relativ zum Druckkopf 10 vorgesehen sein.
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4 zeigt eine Ausführungsform eines Trägers 40 zur Verwendung in der Vorrichtung 100 von 3. Gestrichelt ist ein gedrucktes Bauteil 900 gemäß 2 auf dem Träger 40 angedeutet. Der Träger 40 weist eine elektrisch beaufschlagtes Heizelement 68 auf. Es sind auch die unteren Teile 62A, 62B der Lagerböcke 60A, 60B gezeigt, auf denen der Träger 40 mit über seine zylindrischen Verlängerungen 46, 42 drehbar gelagert ist. An dem unteren Teil 62A des Lagerbocks 60A sind Schleifkontakte vorgesehen, über die eine elektrische Verbindung mit dem Heizelement 68 hergestellt wird. Es können selbstverständlich mehrere Heizelemente 68 um den Umfang des Trägers 40 herum vorgesehen sein. Es kann auch ein Sensor zur Messung der Temperatur des Trägers 40 eingebaut sein. Die Temperatur des Trägers 40 kann auch von außen, z.B. berührungslos über einen Infrarotsensor, gemessen werden. Es kann mit diesen Sensoren über einen Controller eine Temperaturregelung des Trägers 40 realisiert werden.
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Der Antrieb des Trägers 40 über den Motor 44 erfolgt über eines Satz Stirnräder 48, 49. Das erste Zahnrad 48 wird von dem Motor 44 angetrieben. Das zweite Zahnrad 49 sitzt auf der zylindrischen Verlängerung 42 des Trägers 40. Durch Aufsetzen des Trägers 40 auf die unteren Teile 62A, 62B der Lagerböcke 60A, 60B und Ineingriffbringen der Zahnräder 48, 46 kann eine antriebstechnische Koppelung des Trägers 40 mit dem Motor 44 auf einfache Weise realisiert werden. Nach Herstellen der Kopplung zwischen Träger 40 und Motor 44 werden die oberen Teile 64A, 64B der Lagerböcke 60A, 60B aufgesetzt und über die Spannschrauben 66A, 66B (3) mit den unteren Teile 62A, 62B der Lagerböcke 60A, 60B verschraubt. Der Träger ist damit innerhalb der Lagerböcke 60A, 60B durch den Motor 44 drehbar und zudem durch von außen zugeführten Strom elektrisch beheizbar.
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5 zeigt eine andere Ausführungsform eines Trägers 40 zur Verwendung in der Vorrichtung 100 von 3. Gestrichelt ist ein gedrucktes Bauteil 900 in Form einer Schraube auf dem Träger 40 angedeutet. Links und rechts von der Schraube sind Sollbruchstellen 41 angedeutet, an denen der im gedruckten Bauteil 900 verbleibende Teil des Trägers 40 vom Rest getrennt werden kann. D.h. Der Träger 40 ist hier ein „Einwegträger“. Der Teil des Trägers 40 im Inneren der Schraube verbleibt dauerhaft in der gedruckten Schraube. Die übrigen Teile des Trägers können entsorgt oder wiederverwertet werden. Da ein Teil des Trägers 40 dauerhaft im gedruckten Bauteil verbleibt, kann die Oberfläche des Trägers 40 so präpariert sein, dass eine innige Anhaftung zwischen Träger 40 und gedrucktem Bauteil 900 erreicht wird. Z.B. kann die Außenfläche des Trägers 40 aufgeraut oder mit Klebstoff beschichtet sein.
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Auf die Sollbruchstellen kann aber auch verzichtet werden und das gedruckte Bauteil 900 einfach herausgelöst werden, indem der Träger 40 vor der vorderen und hinteren Stirnseite des Bauteils 900 über ein Zangenwerkzeug, eine Säge oder dgl. durchtrennt wird.
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6 zeigt eine nochmals andere Ausführungsform eines Trägers 40 zur Verwendung in der Vorrichtung 100 von 3. Der Träger 40 ist hier ein Strang aus Kunststoff, vorzugsweise der gleiche Kunststoff, der auch gedruckt wird, oder auch ein Kunststoff, der nicht schmilzt, aber sich dennoch gut mit dem gedruckten Kunststoff verbindet. Der Strang aus Kunststoff wird als kontinuierliches Material beispielweise von einer Rolle zugeführt. Wird der Strang aus Kunststoff erst nach dem Druck auf die Endlänge zugeschnitten, muss die Rolle natürlich zusammen mit dem Strang aus Kunststoff um die Drehachse M gedreht werden. Der Strang aus Kunststoff kann aber auch vorab auf eine Länge zugeschnitten werden, die es erlaubt, den Strang aus Kunststoff beiderseits des zu druckenden Bauteils 900 (das schematisch als Stufenzahnrad angedeutet ist) an den Lagerböcken 62A, 62B über Klemmschrauben 74A, 74B festzuspannen und um die X-Achse zu drehen. Die rechte Seite in 6 zeigt einen Lagerbock 62B mit einer Spannvorrichtung, die aus einem am Lagerbock 62B ortsfesten Abdruckteil 70 und einem sich am Abdruckteil 70 über Abdrückschrauben 76A, 76B abdrückenden Spannteil 72 besteht. Durch Anziehen der Schrauben 76A, 76B kann der Strang aus Kunststoff so gestrafft werden, dass er bedruckbar ist. Der bevorzugte Durchmesser für Strangmaterial liegt zwischen 1 mm und 10 mm.
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Es ist festzustellen, dass statt eines Strangs aus Kunststoff auch ein Strang aus anderem Material, beispielsweise Metall, verwendet werden kann. Nach Fertigstellung des Druckteils kann der Metallstrang links und rechts vom gedruckten Bauteil abgeschnitten werden. Der im gedruckten Bauteil verbleibende Metallstrang ist eine wirksame Verstärkung des Kunststoffteils. Ein Metallstrang kann über Zufuhr von elektrischem Strom, beispielsweise über Schleifkontakte auch bedarfsgemäß für eine bessere Anhaftung des Druckteils beheizt werden.
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Weitere nicht abgebildete Ausführungsformen lehnen sich an Spannvorrichtungen an, wie sie an herkömmlichen Drehbänken oder Rundschleifmaschinen eingesetzt werden.
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D.h. der Träger 40 könnte prinzipiell auch so aufgebaut sein, dass er von einem Spannfutter oder einer Spannzange gefasst und darüber gedreht werden kann. Dazu kann er möglicherweise auch nur einseitig eingespannt sein. Gegebenenfalls ist der Träger 40 aber auf der anderen Seite durch einen Reitstock abgestützt. Der Träger 40 kann auch zwischen Spitzen gelagert und unter Zuhilfenahme eines Mitnehmers, wie etwa eines von Drehbänken bekannten Drehherzes, drehbar angetrieben sein. Wesentlich ist nur, dass die Mantelfläche des Trägers 40 korrekt unter dem Druckkopf 10 platziert ist und sauber rundläuft.
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Für das Druckverfahren ist zu berücksichtigen, dass während des Druckes aufeinanderfolgender Schichten mit zunehmendem Abstand des Druckkopfes 10 und seiner Düse 12 von der Mantelfläche des Trägers 40 der Umfang des Druckteils zunimmt. D.h. die Zahl der Schritte, die der Antriebsmotor 44 des Trägers 40 pro Umdrehung des Trägers 40 vollführen muss, nimmt mit zunehmendem Abstand des Druckkopfes 10 und seiner Düse 12 von der Mantelfläche des Trägers 40 zu. Je nach Durchmesser des Trägers 40, von dem der Druck ausgeht, d.h. z.B. einem Strang mit relativ kleinem Durchmesser, oder einem Zylinder mit z.B. 20 mm Durchmesser ist auch die Anfangszahl der Schritte, die der Antriebsmotor 44 für eine Umdrehung des Trägers 44 ausführen muss, unterschiedlich. Die Zahl der Schritte ist auch von anderen Parametern abhängig, wie etwa dem Durchmesser der Bohrung der verwendeten Düse. Die entsprechende Schrittzahl kann experimentell bestimmt werden und im GCODE für der herzustellende Bauteil als ein Parameter angelegt werden.
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Von Vorteil ist auch, dass der Träger beim Druck jeder aufeinanderfolgenden Schicht von seiner Startposition aus z.B. eine Umdrehung in die eine Richtung und dann für den Druck der nächsten Schicht eine Umdrehung in die andere Richtung rotiert werden kann, was etwa dem Ablauf bei einem Druck mit ebenem Druckbett entspricht, oder aber für den Druck jeder aufeinanderfolgenden Schicht der Träger immer nur um 360 Grad in eine Richtung gedreht wird. Der Träger kann aber auch für den Druck z.B. kleinerer Details nur kleine Schritte in beide Richtungen hin- und hergedreht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Druckkopf
- 12
- Düse
- 14
- Filament
- 16
- Rolle
- 30
- Führung X-Achse
- 32
- Kugelumlaufspindelmechanismus
- 34
- Antriebsmotor X-Achse
- M
- Mittelachse, Drehachse (in X-Richtung)
- 40
- Träger
- 41
- Sollbruchstellen
- 42, 46
- zylindrische Verlängerung
- 44
- Antriebsmotor Träger
- 48, 49
- erstes und zweites Zahnrad
- 50
- Führung Z-Achse
- 52
- Kugelumlaufspindelmechanismus
- 54
- Antriebsmotor X-Achse
- 60A, 60B
- Lagerböcke
- 62A, 62B
- untere Teile der Lagerböcke
- 64A, 64B
- obere Teile der Lagerböcke
- 66A, 66B
- Spannschrauben
- 68
- Heizelement
- 70
- Abdruckteil
- 72
- Spannteil
- 74A, 74B
- Klemmschrauben
- 76A, 76B
- Abdrückschrauben
- 100
- erfindungsgemäße 3D-Druckvorrichtung
- 110
- Druckkopf
- 112
- Düse
- 114
- Filament
- 116
- Rolle
- 200
- Druckbett
- 300
- Führung X-Achse
- 320
- Kugelumlaufspindelmechanismus
- 340
- Antriebsmotor X-Achse
- 400
- Führung Y-Achse
- 420
- Kugelumlaufspindelmechanismus
- 440
- Antriebsmotor Druckbett
- 500
- Führung Z-Achse
- 520
- Kugelumlaufspindelmechanismus
- 540
- Antriebsmotor X-Achse
- 900
- zu druckendes Bauteil
- 910
- Grundkörper
- 920,930
- Vorsprünge
- 940
- Steg
- 950
- Bohrung
- 960
- Auflagefläche
