DE102020111512A1

DE102020111512A1 - Method and device for the additive manufacturing of a component with a complex structure

Info

Publication number: DE102020111512A1
Application number: DE102020111512.1A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Schadhauser; Andreas Bierbaumer
Original assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2021-10-28
Anticipated expiration: 2040-04-29
Also published as: DE102020111512B4

Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils mit einer komplexen Struktur, wobei ein fließfähiges Material über eine Materialaustragseinrichtung in Bahnen programmgesteuert auf einem Träger aufgetragen wird. Es werden mehrere Düsen mit unterschiedlich gestalteter Form der Düsenaustrittsöffnung bereitgehalten. Gemäß einer vorgegebenen CAD-Geometrie des Bauteils erfolgen eine programmgesteuerte Auswahl einer Düse und das Ablegen von einer oder mehreren Bahnen des Materials. Mittels einer ausgewählten Düse werden ein oder mehrere Bahnen gemäß der vorgegebenen CAD-Geometrie programmgesteuert auf dem Träger und/oder auf schon vorhandenen Bahnen abgelegt. Ferner erfolgt ein programmgesteuerter Wechsel einer Düse.A method and a device for the additive manufacture of a component with a complex structure are described, wherein a flowable material is applied to a carrier in tracks in a program-controlled manner via a material discharge device. Several nozzles with differently shaped nozzle outlet opening shapes are kept ready. According to a predetermined CAD geometry of the component, a program-controlled selection of a nozzle and the laying down of one or more paths of the material take place. By means of a selected nozzle, one or more tracks are stored on the carrier and / or on existing tracks in a program-controlled manner in accordance with the specified CAD geometry. There is also a program-controlled change of a nozzle.

Description

Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der additiven Herstellung von Bauteilen, welche auch als 3D-Druck bezeichnet wird. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist der 3D-Druck mittels der sogenannten FFF-Technik. FFF ist die Abkürzung für „Fused Filament Fabrication“. Hierbei handelt es sich um einen schichtweisen Aufbau eines Bauteils mittels eines schmelzfähigen oder reaktiv aushärtenden Materials. Hierbei wird mittels eines Extruders ein Kunststofffaden oder ein Kunststoffstrang in Schichten auf einen Träger und das herzustellende Bauteil aufgetragen.The invention relates to the technical field of additive manufacturing of components, which is also referred to as 3D printing. The preferred area of application is 3D printing using the so-called FFF technology. FFF is the abbreviation for "Fused Filament Fabrication". This is a layered structure of a component by means of a meltable or reactive hardening material. Here, a plastic thread or a plastic strand is applied in layers to a carrier and the component to be produced by means of an extruder.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Varianten für die additive Herstellung eines Bauteils bekannt.Various variants for additive manufacturing of a component are known from the prior art.

Aus der DE 198 15 005 C2 ist es bekannt, die Düsenaustrittsöffnung oder das gesamte Düsensystem zu verdrehen. Damit kann ohne Wechsel der Düse und ohne Änderung der Größe und der Form der Düsenaustrittsöffnung eine Ablage von unterschiedlich breit ausgeführten Materialsträngen ausgeführt werden.From the DE 198 15 005 C2 it is known to rotate the nozzle outlet opening or the entire nozzle system. In this way, material strands of different widths can be deposited without changing the nozzle and without changing the size and shape of the nozzle outlet opening.

Ferner ist es bekannt, dass je nach Bauteilgeometrie und Anforderungen an die Stabilität des Bauteils unterschiedlich ausgebildete Düsenquerschnitte verwendet werden können ( DE 198 15 005 C2 , DE 20 2014 103 023 U1 , US 2017/0312985 A1 ).It is also known that, depending on the component geometry and requirements for the stability of the component, different nozzle cross-sections can be used ( DE 198 15 005 C2 , DE 20 2014 103 023 U1 , US 2017/0312985 A1 ).

Nachteilig an dem bekannten Stand der Technik ist, dass insbesondere bei Bauteilen mit einer komplexen Struktur je nach verwendeter Düse mehr oder weniger Aufwand bei der Nachbearbeitung des additiv hergestellten Bauteils betrieben werden muss, um technische Oberflächenqualitäten herzustellen. In vielen Fällen ist eine mehr oder weniger aufwändige Nachbehandlung von Oberflächen wie z.B. Fräsbearbeitung, Gleitschleifen, Schleifen, Beschichten, thermisches Aufschmelzen oder auch Bedampfen durch chemische Lösemittel erforderlich.A disadvantage of the known prior art is that, in particular in the case of components with a complex structure, depending on the nozzle used, more or less effort has to be made in the post-processing of the additively manufactured component in order to produce technical surface qualities. In many cases, a more or less complex post-treatment of surfaces such as milling, vibratory grinding, grinding, coating, thermal melting or vapor deposition using chemical solvents is required.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem Bauteile mit komplexen Strukturen mittels 3D-Druck hergestellt werden können, bei denen keine oder nur eine geringe Nachbearbeitung mittels Fräsen oder dergleichen erforderlich ist.Starting from this, the invention is based on the object of specifying a method with which components with complex structures can be produced by means of 3D printing, in which no or only little post-processing by means of milling or the like is required.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a method with the features of claim 1 and by a device with the features of claim 6. Advantageous refinements and further developments can be found in the dependent claims.

Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung werden mehrere Düsen mit unterschiedlich gestalteter Form der Düsenaustrittsöffnung bereitgehalten. Dadurch kann ein an die Geometrie des Bauteils angepasster 3D-Druck vorgenommen werden, insbesondere im Hinblick auf eine möglichst geringe Nachbearbeitung der Oberfläche des 3D-gedruckten Bauteils. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass gemäß einer vorgegebenen CAD-Geometrie des Bauteils eine programmgesteuerte Auswahl einer Düse und das Ablegen von einer oder mehreren Bahnen an Material mittels der ausgewählten Düsen erfolgen. Hierbei wird ein fließfähiges Material über eine Materialaustragseinrichtung der ausgewählten Düse zugeleitet, wobei zwischen dem Ausgang der Materialaustragseinrichtung und der ausgewählten Düse eine Verbindung hergestellt wird, mittels derer das von der Materialaustragseinrichtung bereitgestellte Material der ausgewählten Düse zugeführt wird. Mittels der ausgewählten Düse werden ein oder mehrere Bahnen des Materials gemäß der vorgegebenen CAD-Geometrie programmgesteuert auf dem Träger und/oder auf schon vorhandenen Bahnen abgelegt. Der Wechsel der Düsen erfolgt ebenfalls programmgesteuert.According to a basic concept of the invention, several nozzles with differently designed nozzle outlet opening shapes are kept ready. As a result, a 3D printing adapted to the geometry of the component can be carried out, in particular with regard to the least possible post-processing of the surface of the 3D-printed component. The method according to the invention provides that a program-controlled selection of a nozzle and the depositing of one or more webs of material by means of the selected nozzles take place in accordance with a predetermined CAD geometry of the component. Here, a flowable material is fed to the selected nozzle via a material discharge device, a connection being established between the outlet of the material discharge device and the selected nozzle, by means of which the material provided by the material discharge device is fed to the selected nozzle. By means of the selected nozzle, one or more webs of the material are deposited on the carrier and / or on existing webs in a program-controlled manner in accordance with the specified CAD geometry. The change of the nozzles is also program-controlled.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können mindestens drei, vorzugsweise mindestens vier, insbesondere mindestens fünf unterschiedliche Formen von Düsenaustrittsöffnungen bereitgehalten werden. Insbesondere bei komplexen Strukturen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn viele Düsen mit jeweils unterschiedlich gestalteter Düsenaustrittsöffnung bereitgehalten werden. Dies wirkt sich positiv auf die Reduzierung von Oberflächenrauhigkeiten und die Geschwindigkeit beim 3D-Druck aus.According to an advantageous embodiment, at least three, preferably at least four, in particular at least five different shapes of nozzle outlet openings can be kept ready. In the case of complex structures in particular, it is considered advantageous if many nozzles, each with a differently designed nozzle outlet opening, are kept ready. This has a positive effect on the reduction of surface roughness and the speed in 3D printing.

Im Sinne einer möglichst hohen Flexibilität können der Träger und/oder die jeweils ausgewählte Düse programmgesteuert im Raum bewegt werden.In order to achieve the greatest possible flexibility, the carrier and / or the respectively selected nozzle can be moved around the room under program control.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung kann ein Computerprogramm verwendet werden, welches Eingaben eines Benutzers zu gewünschten Eigenschaften des Bauteils auswertet. Dabei kann es sich beispielsweise um Eingaben betreffend die Oberflächenrauhigkeit, die Stabilität des Bauteils, erreichbare Bauteiltoleranzen, die Eigenschaft des Druckbetts, die Stärke der Bauteilkühlung, die Art des eingesetzten 3D-Druck Materials, die Druckgeschwindigkeit oder auch die Nachbearbeitungsmethode handeln. Unter Berücksichtigung der Auswertung aus dem Computerprogramm kann die programmgesteuerte Auswahl einer Düse und das programmgesteuerte Ablegen der Bahnen mittels der ausgewählten Düse vorgenommen werden. Auf diese Weise wird es möglich, eine Optimierung des 3D-Drucks eines Bauteils mit komplexen Strukturen zu erzielen, wobei eine gezielte Optimierung in Bezug auf eine oder mehrere wünschenswerte Eigenschaften des additiv hergestellten Bauteils vorgenommen werden kann.According to an advantageous further development of the invention, a computer program can be used which evaluates inputs from a user for desired properties of the component. This can be, for example, inputs relating to the surface roughness, the stability of the component, achievable component tolerances, the properties of the print bed, the strength of the component cooling, the type of 3D printing material used, the printing speed or the post-processing method. Taking into account the evaluation from the computer program, the program-controlled selection of a nozzle and the program-controlled depositing of the webs by means of the selected nozzle can be carried out. In this way, it becomes possible to optimize the 3D printing of a component with complex structures, with a targeted optimization in relation to one or more desirable Properties of the additively manufactured component can be made.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils mit einer komplexen Struktur umfasst zunächst eine Materialaustragseinrichtung und eine Düsenwechseleinrichtung mit einem Vorrat an mehreren Düsen. Die Düsen können beispielsweise in einem geeigneten Vorratsbehälter bereitgehalten werden. Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung sind Düsen mit unterschiedlich gestalteter Form der Düsenaustrittsöffnung vorgesehen, insbesondere Düsen mit unterschiedlich gestaltetem Düsenquerschnitt. Zur Erfindung gehört auch eine Steuerung zur programmgesteuerten Auswahl einer Düse und zur programmgesteuerten Bewegung der Düse relativ zu einem Träger, wobei mittels der ausgewählten Düse ein oder mehrere Bahnen gemäß einer vorgegebenen CAD-Geometrie programmgesteuert auf dem Träger und/oder auf schon vorhandenen Bahnen abgelegt werden können. Die Materialaustragseinrichtung ist in der Weise ausgebildet, dass sie eine Materialaustrittsöffnung aufweist und dass an der Materialaustrittsöffnung eine ausgewählte Düse befestigt werden kann oder dass die Düse mittels einer Leitung mit der Materialaustrittsöffnung der Materialaustragseinrichtung verbindbar ist. Ferner sind Mittel zur Bewegung der Düse und/oder des Trägers im Raum sowie Mittel zur Durchführung eines automatisierten Düsenwechsels an der Materialaustragseinrichtung vorgesehen.A device according to the invention for the additive production of a component with a complex structure initially comprises a material discharge device and a nozzle changing device with a supply of several nozzles. The nozzles can be kept ready in a suitable storage container, for example. According to a basic idea of the invention, nozzles with differently designed shape of the nozzle outlet opening are provided, in particular nozzles with differently designed nozzle cross-sections. The invention also includes a controller for the program-controlled selection of a nozzle and for the program-controlled movement of the nozzle relative to a carrier, with one or more tracks being stored on the carrier and / or on existing tracks in a program-controlled manner using the selected nozzle can. The material discharge device is designed in such a way that it has a material outlet opening and that a selected nozzle can be attached to the material outlet opening or that the nozzle can be connected to the material outlet opening of the material discharge device by means of a line. Furthermore, means are provided for moving the nozzle and / or the carrier in space, as well as means for carrying out an automated nozzle change on the material discharge device.

Als Materialaustragseinrichtung kann ein Einschneckenextruder, ein Doppelschneckenextruder, ein Filamentextruder, ein Scheibenextruder, Zahnradpumpen, Mischköpfe zur Verarbeitung von reaktiven Materialien oder ein Sprühsystem in Betracht kommen.A single screw extruder, a twin screw extruder, a filament extruder, a disk extruder, gear pumps, mixing heads for processing reactive materials or a spray system can be considered as the material discharge device.

Je nach Komplexität des Bauteils können mindestens drei, vorzugsweise mindestens vier, insbesondere mindestens fünf unterschiedliche Formen von Düsenaustrittsöffnungen vorgesehen sein. Dabei können insbesondere verschiedene Ausführungsformen des Querschnitts der Düsenaustrittsöffnung vorgesehen sein, beispielsweise trapezförmig, L-förmig, rund, oval, rechteckig oder quadratisch.Depending on the complexity of the component, at least three, preferably at least four, in particular at least five different shapes of nozzle outlet openings can be provided. In particular, different embodiments of the cross section of the nozzle outlet opening can be provided, for example trapezoidal, L-shaped, round, oval, rectangular or square.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Düse ein Düsengehäuse mit einer Ausnehmung aufweisen, in welcher ein Düsenkopf drehbar gelagert ist, so dass der Düsenkopf je nach gewünschter Orientierung des abzulegenden Materialstrangs in Bezug auf den Träger oder auf schon abgelegte Bahnen ausgerichtet werden kann. Der Düsenkopf kann eine auf der Düsenlängsachse liegende Längsbohrung aufweisen, wobei die Längsbohrung stromabwärts in fluidischer Verbindung mit der Düsenaustrittsöffnung und stromaufwärts in fluidischer Verbindung mit einem in dem Düsengehäuse angeordneten Ringspalt steht. Ferner ist ein Drehantrieb vorgesehen, mit welchem der Düsenkopf um die Längsachse der Düse gedreht werden kann. Der Drehantrieb kann beispielsweise als hydraulisch oder elektrisch angetriebener Riementrieb, Kettentrieb, Pleuelstange, Zahnstange oder auch über Zahnräder ausgebildet sein.According to one embodiment, the nozzle can have a nozzle housing with a recess, in which a nozzle head is rotatably mounted, so that the nozzle head can be aligned depending on the desired orientation of the material strand to be deposited in relation to the carrier or to already deposited webs. The nozzle head can have a longitudinal bore lying on the longitudinal axis of the nozzle, the longitudinal bore being in fluidic connection with the nozzle outlet opening downstream and in fluidic connection with an annular gap arranged in the nozzle housing upstream. Furthermore, a rotary drive is provided with which the nozzle head can be rotated about the longitudinal axis of the nozzle. The rotary drive can be designed, for example, as a hydraulically or electrically driven belt drive, chain drive, connecting rod, toothed rack or also via toothed wheels.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Düse kann der Düsenkopf als Nadelverschlussdüse mit einstellbarer Öffnungsweite ausgebildet sein, wobei die Öffnungsweite vorzugsweise während des Betriebs der Vorrichtung verändert werden kann. Dadurch kann während des Betriebs der Vorrichtung die Austragsleistung verändert werden. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Veränderung der Geschwindigkeit des Materialaustrags oder bei einer Leerfahrt der Materialaustragseinrichtung der Durchfluss an Material unverzüglich angepasst werden kann. Die Geschwindigkeit des Materialaustrags wird üblicherweise auch als Druckgeschwindigkeit bezeichnet. Je nach Ausführung der Materialaustragseinrichtung kann die Materialaustragseinrichtung auch als Druckkopf bezeichnet werden.According to an advantageous embodiment of the nozzle, the nozzle head can be designed as a needle shut-off nozzle with an adjustable opening width, the opening width preferably being able to be changed during operation of the device. As a result, the discharge rate can be changed during operation of the device. This has the advantage that if the speed of the material discharge is changed or if the material discharge device runs empty, the flow of material can be adapted immediately. The speed of material discharge is usually also referred to as the printing speed. Depending on the design of the material discharge device, the material discharge device can also be referred to as a print head.

Vergleichbare auf Schneckenextruder basierende 3D-Druck-Systeme zeigen hier eine vergleichsweise träge Reaktionsgeschwindigkeit hinsichtlich der Volumenstromregelung des Materialaustrags.Comparable 3D printing systems based on screw extruders show a comparatively slow reaction speed with regard to the volume flow control of the material discharge.

Insbesondere kann bei einer solchen Düse die Längsbohrung in ihrem stromabwärts gelegenen Ende in einen mit der Düsenaustrittsöffnung in fluidischer Verbindung stehenden Materialaustrittskanal übergehen und die Nadel in der Längsbohrung entlang der Längsachse der Düse verfahren werden. Der Durchmesser der Nadel ist kleiner als der Durchmesser der Längsbohrung, so dass ein Ringspalt in dem Düsenkopf vorliegt. Der Durchmesser des Materialaustrittskanals ist kleiner als der Durchmesser der Nadel, so dass mittels der Nadelspitze die Eintrittsöffnung des Materialaustrittskanals verschlossen und freigegeben werden kann. Zudem kann der die Öffnungsweite der Nadelverschlussdüse bestimmende Abstand zwischen der Spitze der Nadel und der Eintrittsöffnung des Materialaustrittskanals auf vorgebbare Maße eingestellt werden. Dabei kann der Abstand vorzugsweise während des Betriebs der Vorrichtung verändert werden, was die zuvor genannten Vorteile hat.In particular, with such a nozzle, the downstream end of the longitudinal bore can merge into a material outlet channel that is in fluidic connection with the nozzle outlet opening, and the needle can be moved in the longitudinal bore along the longitudinal axis of the nozzle. The diameter of the needle is smaller than the diameter of the longitudinal bore, so that there is an annular gap in the nozzle head. The diameter of the material outlet channel is smaller than the diameter of the needle, so that the inlet opening of the material outlet channel can be closed and released by means of the needle tip. In addition, the distance between the tip of the needle and the inlet opening of the material outlet channel, which determines the opening width of the needle shut-off nozzle, can be set to predeterminable dimensions. The distance can preferably be changed during operation of the device, which has the advantages mentioned above.

Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung können zusätzlich eine oder mehrere Hohldorndüsen vorgesehen sein, insbesondere Hohldorndüsen mit einem hohlen, kreisförmigen, oder einem hohlen rechteckigen, vorzugsweise hohlen quadratischen, Düsenquerschnitt. Mittels solcher Hohldorndüsen können Stützstrukturen in dem Bauteil geschaffen werden, die ansonsten nur mit größerem Aufwand erzeugt werden könnten. Die Erstellung der Hohlkörper für die Stützstruktur erfolgt also nicht an dem Bauteil selbst, sondern bereits in der Düse und wird somit vorgefertigt bereitgestellt. Dadurch lässt sich der Materialeinsatz und die aufgewendete Zeit auf die Herstellung solcher Stützstrukturen reduzieren.According to a further development of the invention, one or more hollow mandrel nozzles can additionally be provided, in particular hollow mandrel nozzles with a hollow, circular, or a hollow rectangular, preferably hollow square, nozzle cross section. By means of such hollow mandrel nozzles, support structures can be created in the component that could otherwise only be produced with greater effort. The creation of the The hollow body for the support structure is therefore not made on the component itself, but rather already in the nozzle and is thus made available in a prefabricated manner. As a result, the use of materials and the time spent on the production of such support structures can be reduced.

In einer vorteilhaften Ausführungsform einer Hohldorndüse kann der Verdrängungskörper, der auch Torpedo genannt wird, gekühlt werden. Hierfür kann der Verdrängungskörper in der Hohldorndüse mit einer Kühleinrichtung ausgestattet sein, wobei die Kühleinrichtung vorzugsweise mit einem Kühlmittel durchströmbare Kühlkanäle aufweist. Dadurch kann der ausgetragene hohle Kunststoffstrang bereits beim Austritt aus der Hohldorndüse eine gewisse Festigkeit aufweisen und ein Zusammenfallen des hohlen Kunststoffstrangs an dem Bauteil und damit ein Zusammenfallen der Stützstruktur zu vermeiden. Um den Kühleintrag in die Schmelze anpassen zu können, kann die Kühleinrichtung zumindest partiell mit einer Isolierung ausgestattet sein. Dadurch wird erreicht, dass nur ein definierter Bereich des Verdrängungskörpers gekühlt wird.In an advantageous embodiment of a hollow mandrel nozzle, the displacement body, which is also called a torpedo, can be cooled. For this purpose, the displacement body in the hollow mandrel nozzle can be equipped with a cooling device, the cooling device preferably having cooling channels through which a coolant can flow. As a result, the hollow plastic strand discharged can already have a certain strength when it emerges from the hollow mandrel nozzle and can prevent the hollow plastic strand from collapsing on the component and thus the support structure from collapsing. In order to be able to adapt the cooling input into the melt, the cooling device can be at least partially equipped with an insulation. This ensures that only a defined area of the displacement body is cooled.

Zur Bewegung der Düse und/oder des Trägers im Raum können verschiedene Mittel vorgesehen werden. Es kann ein Roboter, insbesondere ein Mehrachs-Roboter, ein Linearroboter oder auch ein Portalroboter vorgesehen sein. Die mit einer Düse versehene Materialaustragseinrichtung ist an dem Roboter befestigt . Mittels des Roboters kann die Materialaustragseinrichtung zusammen mit der Düse im Raum verfahren werden. Ebenso ist es möglich, dass lediglich die Düse an dem Roboter befestigt ist und mittels des Roboters im Raum verfahren werden kann. In diesem Fall ist eine flexible Leitung zwischen der Materialaustrittsöffnung der Materialaustragseinrichtung und der Düse vorgesehen. Ebenso ist es möglich den Drucktisch anstatt der Düse zu bewegen.Various means can be provided for moving the nozzle and / or the carrier in space. A robot, in particular a multi-axis robot, a linear robot or also a gantry robot can be provided. The material discharge device provided with a nozzle is attached to the robot. The material discharge device can be moved in space together with the nozzle by means of the robot. It is also possible that only the nozzle is attached to the robot and can be moved in space by means of the robot. In this case, a flexible line is provided between the material outlet opening of the material discharge device and the nozzle. It is also possible to move the printing table instead of the nozzle.

Als 3D-Druck-Material kann insbesondere ein Kunststoffmaterial verwendet werden. Das fließfähige Material wäre in diesem Fall eine Schmelze des Kunststoffmaterials. Die Erfindung ist aber auch für das 3D-Drucken mittels anderer Materialien geeignet. Beispielhaft seien folgende Materialien genannt: Keramikwerkstoffe, zementäre Baustoffe, duroplastische Werkstoffe, UV-Aushärtende Harzsysteme und Elastomere.In particular, a plastic material can be used as the 3D printing material. In this case, the flowable material would be a melt of the plastic material. However, the invention is also suitable for 3D printing using other materials. The following materials are mentioned as examples: ceramic materials, cementitious building materials, thermosetting materials, UV-curing resin systems and elastomers.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die 1 bis 15 näher beschrieben werden. Für das Ausführungsbeispiel wird als Materialaustragseinrichtung ein Extruder verwendet.In the following, the invention will be based on an exemplary embodiment and with reference to the 1 until 15th are described in more detail. An extruder is used as the material discharge device for the exemplary embodiment.

Es zeigen:

1 perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Teilschnitt des Extruders;
2 Düsenquerschnitte für Vollprofile
3 Nadelschlussdüse für Düsenquerschnitte aus 2
4 Düsenquerschnitte für Hohlprofile
5 Hohldorndüse für Düsenquerschnitte aus 4
6a-6c Düsenwechselvorrichtung
7 Systemaufbau einer erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung
8 Draufsicht auf eine Laminierform
9 Schnitt B-B in 8
10 Schnitt A-A in 9
11 Detail Nr.1 aus 9
12 Detail Nr.2 aus 9
13 Detail Nr.3 aus 9
14 Detail Nr.4 aus 9
15 Detail Nr.5 aus 9

Show it:

1 perspective view of a device according to the invention with a partial section of the extruder;
2 Nozzle cross-sections for full profiles
3 Needle connection nozzle for nozzle cross-sections 2
4th Nozzle cross-sections for hollow profiles
5 Hollow mandrel nozzle for nozzle cross-sections 4th
6a-6c Nozzle changing device
7th System structure of a 3D printing device according to the invention
8th Top view of a lamination mold
9 Cut BB in 8th
10 Section AA in 9
11 Detail # 1 9
12th Detail # 2 9
13th Detail number 3 from 9
14th Detail number 4 9
15th Detail number 5 9

Die 1 zeigt eine Anlage zur additiven Fertigung von Kunststoffbauteilen. Man kann die Anlage auch als 3D-Drucker oder als 3D-Druckvorrichtung bezeichnen. Sie umfasst einen Einschnecken-Extruder 1, eine Dosiereinheit 2, einen Mehrachs-Industrieroboter 3, eine Düsenwechselvorrichtung 4 und einen Träger 5, auf der eine Bahn eines Kunststoffstrangs 6 abgelegt werden kann. Mittels des Mehrachs-Industrieroboters 3 kann der Einschnecken-Extruder 1 in beliebige Positionen im Raum verfahren werden. In der Darstellung der 1 ist der Einschnecken-Extruder 1 vertikal ausgerichtet.the 1 shows a system for the additive manufacturing of plastic components. The system can also be referred to as a 3D printer or a 3D printing device. It includes a single screw extruder 1 , a dosing unit 2 , a multi-axis industrial robot 3 , a nozzle changing device 4th and a carrier 5 , on which a length of plastic strand 6th can be filed. Using the multi-axis industrial robot 3 can the single screw extruder 1 can be moved to any position in space. In the representation of the 1 is the single screw extruder 1 aligned vertically.

Der Einschnecken-Extruder 1 umfasst einen Zylinder 7 und eine darin drehbar gelagerte Schnecke 8, die von einem Drehantrieb 9 mit einer variablen und regelbaren Drehzahl angetrieben werden kann. Am hinteren Ende der Schnecke 8 ist eine Einfüllöffnung 10 in dem Zylinder 7 für die Zufuhr eines Kunststoffmaterials in den Einschnecken-Extruder 1 vorgesehen. Die Zufuhr des Kunststoffmaterials in den Zylinder 7 erfolgt über einen Einfülltrichter 14 und ein Rohr 15. Das Kunststoffmaterial wird vorzugsweise mittels der Dosiereinheit 2 in den Einfülltrichter 14 eingegeben. Die Dosiereinheit 2 umfasst einen Materialtrichter 16, einen Förderzylinder 17, eine Förderschnecke 18 und einen Dosierantrieb 19. Am vorderen Ende des Einschnecken-Extruders ist eine Düse 11 lösbar befestigt, wobei die Düse 11 ein drehfestes Düsenteil und ein drehbares Düsenteil aufweist. Das drehfeste Düsenteil soll nachfolgend als Düsengehäuse 12 bezeichnet werden, und das drehbare Düsenteil soll nachfolgend als Düsenkopf 13 bezeichnet werden.The single screw extruder 1 includes a cylinder 7th and a screw rotatably mounted therein 8th by a rotary actuator 9 can be driven with a variable and controllable speed. At the back of the snail 8th is a filling opening 10 in the cylinder 7th for feeding a plastic material into the single screw extruder 1 intended. The feeding of the plastic material into the cylinder 7th takes place via a funnel 14th and a pipe 15th . The plastic material is preferably by means of the dosing unit 2 into the feed hopper 14th entered. The dosing unit 2 includes a material hopper 16 , a delivery cylinder 17th , a screw conveyor 18th and a metering drive 19th . At the front end of the single screw extruder is a nozzle 11 releasably attached, the nozzle 11 has a non-rotatable nozzle part and a rotatable nozzle part. The non-rotatable nozzle part is intended below as the nozzle housing 12th are referred to, and the rotatable The nozzle part is hereinafter referred to as the nozzle head 13th are designated.

Die Düsenwechselvorrichtung 4 umfasst einen Vorratsbehälter 20 mit mehreren Düsen 21.1, 21.2,... und eine Handlingseinrichtung 22 für einen automatischen Düsenwechsel. Mittels der Handlingseinrichtung 22 kann die am Extruder 1 angebrachte Düse 12 gegen eine der Düsen 21 im Düsenvorratsbehälter 20 ausgetauscht werden. In dem Düsenvorratsbehälter 20 befinden sich Düsen 21.1, 21.2, 21.3,... mit jeweils unterschiedlich gestalteter Form der Düsenaustrittsöffnung. The nozzle changing device 4th includes a storage container 20th with multiple nozzles 21.1 , 21.2 , ... and a handling facility 22nd for an automatic nozzle change. By means of the handling device 22nd can do that on the extruder 1 attached nozzle 12th against one of the nozzles 21 in the nozzle reservoir 20th be replaced. In the nozzle reservoir 20th there are nozzles 21.1 , 21.2 , 21.3 , ... each with a differently designed shape of the nozzle outlet opening.

Der Träger 5 kann im Raum verfahren werden, wie dies mit den Pfeilen x, y und z angedeutet ist. Eine solche Positioniervorrichtung ist für sich genommen bekannt und braucht daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben zu werden.The carrier 5 can be moved in space, as indicated by the arrows x, y and z. Such a positioning device is known per se and therefore does not need to be described in more detail at this point.

In der 2 sind unterschiedlich gestaltete Formen des Querschnitts einer Düsenaustrittsöffnung gezeigt, wie sie bei Düsen 21 aus dem Vorratsbehälter 20 vorliegen können, nämlich:

Düse 21.1 L-Düsenquerschnitt
Düse 21.2 Trapez-Düsenquerschnitt
Düse 21.3 Flachdüsenquerschnitt
Düse 21.4 Rechteckiger Düsenquerschnitt
Düse 21.5 Runddüsenquerschnitt
Düse 21.6 Ovaldüsenquerschnitt

In the 2 Different shapes of the cross section of a nozzle outlet opening are shown, as they are in the case of nozzles 21 from the storage container 20th may exist, namely:

jet 21.1 L-nozzle cross-section
jet 21.2 Trapezoidal nozzle cross-section
jet 21.3 Flat nozzle cross-section
jet 21.4 Rectangular nozzle cross-section
jet 21.5 Round nozzle cross-section
jet 21.6 Oval nozzle cross-section

Die 3 zeigt eine erfindungsgemäße Düse, deren Düsenaustrittsöffnung mit einer der Formen ausgebildet sein kann, wie sie in der 2 dargestellt sind. Gemäß der 3 umfasst die Düse 11 ein drehfestes Düsengehäuse 12 und einen drehbaren Düsenkopf 13. In dem Düsengehäuse 12 verläuft ein Schmelzekanal 22. Der Schmelzekanal-Anfang 22a steht mit dem Ausgang des Einschnecken-Extruders in fluidischer Verbindung und das Schmelzekanal-Ende 22b mündet in einen umlaufenden Ringspalt 23 in dem Düsenkopf 13. In einer Ausnehmung des Düsengehäuses 12 ist der Düsenkopf 13 mittels Wälzlager 24 drehbar gelagert. In seinem Inneren verfügt der Düsenkopf 13 über eine Längsbohrung 25, in welcher eine Nadel 26 beweglich aufgenommen ist. Mittels einem Nadelantrieb 27 und einem Getriebe 28 kann die Nadel 26 in der Längsbohrung 25 in verschiedene Stellungen gebracht werden. Der Durchmesser der Nadel 26 ist kleiner als der Durchmesser der Längsbohrung 25, so dass ein länglicher Ringspalt 29 vorliegt. Die Längsbohrung 25 geht an ihrem vorderen Ende in einen Schmelzeaustrittskanal 30 über, dessen Durchmesser normalerweise kleiner ist als der Durchmesser der Längsbohrung 25. Am hinteren Ende der Längsbohrung 25 ist ein in radialer Richtung von der Längsbohrung abgehender Verbindungskanal 31 vorgesehen. Der Verbindungskanal 21 mündet mit seinem der Längsbohrung abgewandten Ende in den Ringspalt 23. Der Verbindungskanal 31 bildet somit eine fluidische Verbindung zwischen der Längsbohrung 25 in dem drehbaren Düsenkopf 13, dem umlaufenden Ringspalt 23 in dem drehfesten Düsengehäuse 12 und dem Schmelzekanal 22 in dem Düsengehäuse. Bei geöffnetem Schmelzekanal 30 kann die vom Extruder bereitgestellte Kunststoffschmelze vom Schmelzekanal-Anfang 22a ausgehend durch den Schmelzekanal 22 in dem Düsengehäuse 12 hindurch bis zum Schmelzekanal-Ende 22b strömen und von dort aus den Ringspalt 23 in dem Düsenkopf 12 mit Kunststoffschmelze ausfüllen. Der drehbare Düsenkopf 13 hat in jeder Position über den Verbindungskanal 31 und den Ringspalt 24 eine fluidische Verbindung mit dem Schmelzekanal 22, d.h. unabhängig von einer gewünschten oder gewählten Stellung des Düsenkopfs 13 in dem Düsengehäuse 12 kann Kunststoffschmelze über den Verbindungskanal 31 in den Ringspalt 23 in den Düsenkopf strömen und von dort weiter durch den Schmelzeaustrittskanal 30 hindurch strömen und ausgetragen werden. Der Ringspalt 23 kann alternativ auch in dem Düsengehäuse 12 vorgesehen sein und zwar dort, wo sich der Verbindungskanal 31 befindet. Das in Strömungsrichtung gesehen vordere Ende des Schmelzeaustrittskanals 30 ist je nach gewählter Düse mit einem unterschiedlichem Querschnitt ausgebildet, welcher vorliegend auch als Düsenquerschnitt bezeichnet werden soll. Beispielsweise kann es sich bei der Düse 11 um eine Düse mit einem kreisförmigen Düsenquerschnitt handeln. Die Düse 11 würde somit einer Düse 21.5 aus der 2 entsprechen.the 3 shows a nozzle according to the invention, the nozzle outlet opening of which can be designed with one of the shapes as shown in FIG 2 are shown. According to the 3 includes the nozzle 11 a non-rotatable nozzle housing 12th and a rotatable nozzle head 13th . In the nozzle housing 12th a melt channel runs 22nd . The beginning of the melt channel 22a is in fluidic connection with the outlet of the single-screw extruder and the melt channel end 22b opens into a circumferential annular gap 23 in the nozzle head 13th . In a recess in the nozzle housing 12th is the nozzle head 13th by means of roller bearings 24 rotatably mounted. Inside it has the nozzle head 13th via a longitudinal hole 25th in which a needle 26th is movably recorded. By means of a needle drive 27 and a gearbox 28 can the needle 26th in the longitudinal bore 25th be brought into different positions. The diameter of the needle 26th is smaller than the diameter of the longitudinal bore 25th so that an elongated annular gap 29 is present. The longitudinal bore 25th goes into a melt outlet channel at its front end 30th about, the diameter of which is usually smaller than the diameter of the longitudinal bore 25th . At the rear end of the longitudinal hole 25th is a connecting channel extending in the radial direction from the longitudinal bore 31 intended. The end of the connecting channel 21 facing away from the longitudinal bore opens into the annular gap 23 . The connecting channel 31 thus forms a fluidic connection between the longitudinal bore 25th in the rotatable nozzle head 13th , the circumferential annular gap 23 in the non-rotating nozzle housing 12th and the melt channel 22nd in the nozzle housing. With the melt channel open 30th can the plastic melt provided by the extruder from the beginning of the melt channel 22a starting through the melt channel 22nd in the nozzle housing 12th through to the end of the melt channel 22b flow and from there the annular gap 23 in the nozzle head 12th fill in with plastic melt. The rotatable nozzle head 13th has in every position over the connection channel 31 and the annular gap 24 a fluidic connection with the melt channel 22nd , ie regardless of a desired or selected position of the nozzle head 13th in the nozzle housing 12th can melt plastic via the connecting channel 31 in the annular gap 23 flow into the nozzle head and from there through the melt outlet channel 30th flow through and be carried away. The annular gap 23 can alternatively also in the nozzle housing 12th be provided where the connection channel is 31 is located. The front end of the melt outlet channel, viewed in the direction of flow 30th is designed with a different cross-section depending on the nozzle selected, which in the present case is also to be referred to as the nozzle cross-section. For example, it can be the nozzle 11 be a nozzle with a circular nozzle cross-section. The nozzle 11 would thus become a nozzle 21.5 from the 2 correspond.

Die Drehung des Düsenkopfs 13 erfolgt hydraulisch oder elektrisch, d.h. mittels eines Hydromotors oder eines Elektromotors. Die Übertragung der Antriebskraft auf den Düsenkopf kann mittels Riementrieb, Kettentrieb, Pleuelstange, Zahnstange oder auch über Zahnräder erfolgen, über eine reib- oder formschlüssige Verbindung an Position 13.The rotation of the nozzle head 13th takes place hydraulically or electrically, ie by means of a hydraulic motor or an electric motor. The drive force can be transmitted to the nozzle head by means of a belt drive, chain drive, connecting rod, rack or gearwheels, via a frictional or positive connection at position 13th .

Die 4 zeigt unterschiedlich gestaltete Formen des Querschnitts einer Düsenaustrittsöffnung bei einer Hohldorndüse, wie sie bei Düsen 21 aus dem Vorratsbehälter 20 vorliegen können, nämlich:

Düse 21.7 Hohler, runder Düsenquerschnitt
Düse 21.8 Hohler, rechteckiger Düsenquerschnitt

the 4th shows differently designed shapes of the cross section of a nozzle outlet opening in a hollow mandrel nozzle, as is the case with nozzles 21 from the storage container 20th may exist, namely:

jet 21.7 Hollow, round nozzle cross-section
jet 21.8 Hollow, rectangular nozzle cross-section

Die 5 zeigt eine erfindungsgemäße Hohldorndüse 50, deren Düsenaustrittsöffnung mit einer der Formen ausgebildet sein kann, wie sie in der 4 dargestellt sind. Die Hohldorndüse 50 umfasst ein Gehäuse 51, das vorliegend aus drei Teilen 51a, 51 b und 51c besteht. Diese Teile sind in der Weise ausgebildet und angeordnet, dass in ihrem Inneren ein Hohlraum 52 vorliegt, in welchem ein Verdrängungskörper 53 angeordnet ist. Zwischen der Eintrittsöffnung der Hohldorndüse 50 und dem Ausgang des Extruders 1 ist eine Lochplatte 54 angeordnet. Die Schmelze strömt ausgehend von dem vorderen Ende des Extruders 1 durch die Lochplatte 54 hindurch, umströmt den Verdrängungskörper 53 und tritt am vorderen Ende der Hohldorndüse 50 aus. Dort kann der Ringspalt 55 in einer Weise ausgebildet sein, damit sich ein geeignetes Hohlprofil ergibt, beispielsweise rund oder quadratisch, wie dies in der 4 dargestellt ist.the 5 shows a hollow mandrel nozzle according to the invention 50 , the nozzle outlet opening can be formed with one of the shapes, as shown in the 4th are shown. The hollow mandrel nozzle 50 includes a housing 51 , the present from three parts 51a , 51 b and 51c consists. These parts are in the Formed and arranged in a way that in its interior there is a cavity 52 is present, in which a displacement body 53 is arranged. Between the inlet opening of the hollow mandrel nozzle 50 and the exit of the extruder 1 is a perforated plate 54 arranged. The melt flows from the front end of the extruder 1 through the perforated plate 54 through, flows around the displacement body 53 and occurs at the front end of the hollow mandrel nozzle 50 the end. The annular gap can be there 55 be designed in such a way that a suitable hollow profile results, for example round or square, as shown in FIG 4th is shown.

Für die Temperierung des Verdrängungskörpers 53 sind eine Kühleinrichtung 56 und eine Isolierung 57 vorgesehen. Die Kühleinrichtung 56 umfasst einen durch den Verdrängungskörper 53 verlaufenden Kühlkanal 58 mit einem Vorlauf 58a und einem Rücklauf 58b. Der Kühlkanal 58 kann direkt mit einer Kühlmittelquelle, beispielsweise einem Wasseranschluss in einem Fabrikgebäude, oder mit einem separaten Temperiergerät verbunden sein. Die Isolierung ist partiell ausgebildet, d.h. sie umgibt den Vorlauf 58a und den Rücklauf 58b nur teilweise. Die Isolierung 57 kann parallel zur Lage des Kühlkanals 58 partiell ausgebildet sein, wie dies in der 5 dargestellt ist. Dort liegt der Übergang zwischen Vorlauf 58a und Rücklauf 58b näher an der Düsenaustrittsöffnung als die Isolierung 57. Die Isolierung 57 kann zudem so ausgebildet sein, dass sie in Umfangsrichtung gesehen den Kühlkanal 58 bzw. den Vorlauf 58a und den Rücklauf 58b vollständig oder teilweise umgibt.For the temperature control of the sinker 53 are a cooling device 56 and an insulation 57 intended. The cooling device 56 includes one through the displacement body 53 running cooling channel 58 with one advance 58a and a return 58b . The cooling duct 58 can be connected directly to a coolant source, for example a water connection in a factory building, or to a separate temperature control unit. The insulation is partially formed, ie it surrounds the flow 58a and the rewind 58b only partially. The isolation 57 can be parallel to the position of the cooling duct 58 be partially formed, as shown in the 5 is shown. There is the transition between the forerun 58a and rewind 58b closer to the nozzle outlet than the insulation 57 . The isolation 57 can also be designed in such a way that, viewed in the circumferential direction, it encompasses the cooling channel 58 or the forerun 58a and the rewind 58b completely or partially surrounds.

Anhand der 6a bis 6c soll der konstruktive Aufbau und die Funktionsweise der Düsenwechselvorrichtung 4 näher beschrieben werden. Die 6a zeigt einen Düsenvorratsbehälter, welcher vorliegend als plattenförmiges Düsenvorratsgestell 61a ausgebildet ist. Darauf sind mehrere Düsenhalter 61b angebracht, welche einen vertikalen Abschnitt 70a und einen horizontalen Abschnitt 70b aufweisen. Der horizontale Abschnitt 70b ist U-förmig ausgebildet, so dass eine Ausnehmung 70c zur Aufnahme einer Düse vorliegt. Somit können Düsen 21.1, 21.2, 21.3,...mit jeweils unterschiedlich gestalteter Form der Düsenaustrittsöffnung in diesen Düsenhaltern 61b aufgenommen werden und dort für ihren Einsatz bereitgehalten werden. Die Düsen weisen an ihrem Umfang jeweils eine Düsennut 62b auf, so dass der Düsenkörper 68 einer Düse von dem U-förmigen Abschnitt 70b gehalten werden kann (siehe auch 6b).Based on 6a until 6c should be the structural design and the functionality of the nozzle changing device 4th are described in more detail. the 6a shows a nozzle storage container, which in the present case is a plate-shaped nozzle storage frame 61a is trained. There are several nozzle holders on it 61b attached, which has a vertical section 70a and a horizontal section 70b exhibit. The horizontal section 70b is U-shaped, so that a recess 70c for receiving a nozzle. Thus, nozzles 21.1 , 21.2 , 21.3 , ... each with a differently designed shape of the nozzle outlet opening in these nozzle holders 61b and are kept ready for their use there. The nozzles each have a nozzle groove on their circumference 62b on so that the nozzle body 68 a nozzle from the U-shaped portion 70b can be held (see also 6b) .

Die 6b und 6c zeigen ein hydraulisches Schnellkupplungssystem 62, mit welchem eine Düse 21.1, 21.2, 21.3,... von einem Düsenhalter 61b entnommen und darauf abgesetzt werden kann. Nachfolgend soll eine solche Düse als Düsenkörper 68 bezeichnet werden. Das hydraulische Schnellkupplungssystem 62 umfasst ein Übergabestück 67 zur Bereitstellung des schmelzflüssigen Materials durch einen darin befindlichen ersten Schmelzekanal 62d, den Düsenkörper 68 mit einem darin befindlichen zweiten Schmelzekanal 62c und einer Düsennut 62b, welche passend zur Geometrie eines Düsenhalters 61b ausgebildet ist. Das Übergabestück 67 ist mit einem Sackloch ausgebildet, in welchem eine hydraulische Spannbuchse 64 angeordnet ist.the 6b and 6c show a hydraulic quick coupling system 62 with which a nozzle 21.1 , 21.2 , 21.3 , ... from a nozzle holder 61b can be removed and placed on it. In the following, such a nozzle is intended as a nozzle body 68 are designated. The hydraulic quick coupling system 62 includes a transfer piece 67 for providing the molten material through a first melt channel located therein 62d , the nozzle body 68 with a second melt channel located therein 62c and a nozzle groove 62b which match the geometry of a nozzle holder 61b is trained. The handover piece 67 is designed with a blind hole in which a hydraulic clamping sleeve 64 is arranged.

Die hydraulische Spannbuchse 64 ist als doppelwandige Hydraulikkapsel 64b (siehe 6c) ausgebildet, in welcher Hydraulikflüssigkeit 64a eingeschlossen ist. Das Ein- und Ausspannen eines Düsenkörpers 68 in der hydraulischen Spannbuchse 64 erfolgt in der Weise, dass die Hydraulikflüssigkeit 64a in der Hydraulikkapsel 64b mit Druck belastet (Einspannen) und entlastet (Ausspannen) wird. Dies erfolgt mittels eines Verdrängungsstiftes 64c mit einer Dichtung 64d, einem Schiebebolzen 63a mit Lager 63b und einem beispielhaft als Getriebespindelmotor 63 ausgeführtem Antrieb. Durch eine translatorische Bewegung des Stiftes 64c durch den Getriebespindelmotor 63 entsteht durch die in der doppelwandigen Hydraulikkapsel 64b eingeschlossene Hydraulikflüssigkeit 64a ein Druckaufbau. Durch Expansion der Hydraulikkapsel 64b über die Pressfläche 65 des Düsenkörpers 68 und die Pressfläche 66 des Übergabestücks 67 entsteht eine kraftschlüssige reversible Welle-Nabe-Verbindung zwischen dem Düsenkörper 68 und dem Übergabestück 67. Der Düsenkörper 68 wird über die Pressfläche 66 zum Übergabestück 67 abgedichtet. Zudem ist eine Dichtfläche 62a vorgesehen. Die notwendige Flächenpressung in der Pressfläche 66 des Übergabestücks 67 wird durch einen definierten Kraftaufbau bei der Entnahme des Düsenkörpers 68 aus dem Düsenhalter 61b erzielt.The hydraulic clamping bush 64 is as a double-walled hydraulic capsule 64b (please refer 6c ) formed in which hydraulic fluid 64a is included. Clamping and unclamping a nozzle body 68 in the hydraulic clamping bush 64 takes place in such a way that the hydraulic fluid 64a in the hydraulic capsule 64b is loaded with pressure (clamping) and relieved (unclamping). This is done by means of a displacement pin 64c with a seal 64d , a sliding bolt 63a with stock 63b and one, for example, as a geared spindle motor 63 executed drive. With a translatory movement of the pen 64c by the gear spindle motor 63 is created by the in the double-walled hydraulic capsule 64b trapped hydraulic fluid 64a a pressure build-up. By expanding the hydraulic capsule 64b over the pressing surface 65 of the nozzle body 68 and the pressing surface 66 of the transfer piece 67 a positive, reversible shaft-hub connection is created between the nozzle body 68 and the transfer piece 67 . The nozzle body 68 is over the pressing surface 66 to the transfer piece 67 sealed. There is also a sealing surface 62a intended. The necessary surface pressure in the pressing surface 66 of the transfer piece 67 is created by a defined build-up of force when removing the nozzle body 68 from the nozzle holder 61b achieved.

Die 7 zeigt den Systemaufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Raum sind drei translatorische Achsen A1, A2 und A3 sowie drei rotatorische Achsen A4, A5 und A6 definiert. In Bezug auf diese Achsen können der Träger 5 und/oder die Düse 11 im Raum bewegt werden. Der Träger 5 kann auch als Drucktisch bezeichnet werden und die Düse 11 auch als Druckkopf, wie dies vorliegend in der 5 der Fall ist. In der 5 ist die Düse 11 als Ganzes in Bezug auf die Achse A3 und der drehbare Düsenkopf 13 in Bezug auf die Achse A5 angesteuert. Die programmgesteuerte Bewegung von Düse 11 und Düsenkopf 13 erfolgt ausgehend von einem CAD-Datensatz 32 über die Geometrie des herzustellenden Bauteils. Diese Daten werden für „Modellaufbau / Slicer auf A1-4“ mit dem Bezugszeichen 33 verwendet. Als Slicer-Software wird eine Software bezeichnet, die in dem 3D-Druckprozess die Umwandlung eines 3D-Objektmodells in CNC Anweisung des 3D-Druckers übernimmt. Über ein Bediengerät 34 können von einem Benutzer Eingaben zu gewünschten Eigenschaften des Bauteils gemacht werden. Dabei kann es sich um Oberflächeneigenschaften handeln, wie zum Beispiel Toleranzen und Rauheiten. Es kann sich aber auch um Eigenschaften handeln, die die Stabilität des Bauteils definieren, wie zum Beispiel richtungsabhängige erreichbare Bauteilfestigkeiten und Bauteilsteifigkeiten. Alle Daten aus den bei 32, 33 und 34 vorhandenen und/oder generierten Datensätzen werden in einer Steuerung 35 mittels geeigneter Computerprogramme ausgewertet. Die Steuerung 35 dient zur Ansteuerung der Düsenwechselvorrichtung 4 und der programmgesteuerten Auswahl einer Düse 11 aus dem Vorratsbehälter 20, um einen Düsenwechsel vorzunehmen. Die Steuerung 35 dient ferner zur programmgesteuerten Bewegung der ausgewählten Düse relativ zu dem Träger 5 bzw. Drucktisch. Dabei geht es einerseits um die Stellung des drehbaren Düsenkopfs 13 im Raum und andererseits um die Bewegung der Düse 11 als Ganzes im Raum. Diese Bewegung erfolgt entlang von Bahnkurven, die von der Steuerung 35 vorgegeben sind. Dabei wird auch die Bahngeschwindigkeit vorgegeben und aktiv geregelt, mit welcher die Düse 11 bzw. der Druckkopf entlang der Bahnkurven verfahren wird. Schließlich wird auch die Menge an Kunststoffschmelze, die pro Zeiteinheit durch den im Einsatz befindlichen Düsenkopf 13 ausgetragen wird, d.h. der Düsendurchsatz, programmgesteuert verändert.the 7th shows the system structure of a device according to the invention. Three translational axes A1, A2 and A3 as well as three rotary axes A4, A5 and A6 are defined in space. In relation to these axes, the carrier 5 and / or the nozzle 11 be moved in space. The carrier 5 can also be called the printing table and the nozzle 11 also as a print head, as shown in the 5 the case is. In the 5 is the nozzle 11 as a whole with respect to the axis A3 and the rotatable nozzle head 13th controlled in relation to axis A5. The program-controlled movement of the nozzle 11 and nozzle head 13th takes place on the basis of a CAD data record 32 about the geometry of the component to be manufactured. These data are referred to as "model assembly / slicer on A1-4" with the reference number 33 used. Slicer software is software that converts a 3D object model into CNC instructions from the 3D printer in the 3D printing process. About a Control unit 34 A user can enter information about the desired properties of the component. These can be surface properties, such as tolerances and roughness. However, it can also be about properties that define the stability of the component, such as direction-dependent achievable component strengths and component stiffnesses. All data from the 32 , 33 and 34 existing and / or generated data sets are stored in a controller 35 evaluated using suitable computer programs. The control 35 serves to control the nozzle changing device 4th and the program-controlled selection of a nozzle 11 from the storage container 20th to change the nozzle. The control 35 also serves for the program-controlled movement of the selected nozzle relative to the carrier 5 or printing table. On the one hand, this involves the position of the rotatable nozzle head 13th in space and on the other hand about the movement of the nozzle 11 as a whole in space. This movement takes place along trajectories that are generated by the controller 35 are given. The web speed with which the nozzle is set is also specified and actively controlled 11 or the print head is moved along the trajectories. Finally, the amount of plastic melt produced per unit of time by the nozzle head in use 13th is discharged, ie the nozzle throughput is changed under program control.

Nachfolgend soll anhand der 8 bis 15 an einem konkreten Beispiel das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsmäße Vorrichtung näher beschrieben werden. Als Beispiel dient die additive Herstellung einer Laminierform 36, welche in der 8 in Draufsicht dargestellt ist.In the following, the 8th until 15th the method according to the invention and the device according to the invention are described in more detail using a specific example. The additive manufacturing of a lamination mold serves as an example 36 , which in the 8th is shown in plan view.

Für die Herstellung einer beispielhaften Laminierform 36 werden folgende Düsen bereitgehalten und verwendet (siehe auch 2):

Düse 21.1 L-Düsenquerschnitt (siehe Detail Nr.2)
Düse 21.2 Trapez-Düsenquerschnitt (siehe Detail Nr.1 und Nr.4)
Düse 21.3 Flachdüsenquerschnitt (siehe Detail Nr.3)
Düse 21.5 Runddüsenquerschnitt (siehe Detail Nr.3 - Konturdüse)
Düse 21.6 Ovaldüsenquerschnitt (als Fülldüse bei Detail Nr.1 und Nr.4)

For the production of an exemplary lamination mold 36 the following nozzles are kept ready and used (see also 2 ):

jet 21.1 L-nozzle cross-section (see detail no.2)
jet 21.2 Trapezoidal nozzle cross-section (see detail no.1 and no.4)
jet 21.3 Flat nozzle cross-section (see detail no.3)
jet 21.5 Round nozzle cross-section (see detail no.3 - contour nozzle)
jet 21.6 Oval nozzle cross-section (as filling nozzle in detail no.1 and no.4)

Wie der 9 zu entnehmen ist, wird für die ersten beiden Schichten des Bodens 37 und für die Seitenwände 38 und 39 der Laminierform 6 eine Flachdüse 21.3 verwendet.Again 9 what can be seen is for the first two layers of soil 37 and for the side walls 38 and 39 the lamination form 6th a flat nozzle 21.3 used.

In der 10 (Schnitt A-A aus 9) ist zu sehen, in welcher Richtung die Düse 21.3 über den Träger 5 bewegt wird und in welcher Stellung sich der drehbare Düsenkopf 13 befindet, nämlich einmal mit einer 0°-Düsenorientierung und einmal mit einer 90°-Düsenorientierung. Bezugspunkt für die Grad-Angabe bei der Düsenorientierung ist die geplante Bahnlinie (0° Düsenorientierung ist senkrecht zur geplanten Bahnlinie). Die Bahnkurven 40, 41, 42 und 43, entlang derer die Düse 21.3 über den Träger 5 verfahren werden, sind nur als Beispiel zu verstehen. Letztendlich können beliebige Bahnkurven vorgesehen werden, entlang derer die Düse 21.3 über den Träger 5 bewegt und Kunststoffschmelze ausgetragen wird, um die unterste Schicht der Laminierform 6 zu erzeugen.In the 10 (Section AA from 9 ) you can see in which direction the nozzle 21.3 about the carrier 5 is moved and in which position the rotatable nozzle head 13th is located, namely once with a 0 ° nozzle orientation and once with a 90 ° nozzle orientation. The reference point for the degree specification for the nozzle orientation is the planned path line (0 ° nozzle orientation is perpendicular to the planned path line). The trajectories 40 , 41 , 42 and 43 along which the nozzle 21.3 about the carrier 5 are only to be understood as an example. Ultimately, any desired trajectories can be provided along which the nozzle 21.3 about the carrier 5 moves and plastic melt is discharged to the bottom layer of the lamination mold 6th to create.

Bei den in den 11 bis 15 dargestellten Details ist die Druckreihenfolge der Bahnen jeweils mit fortlaufenden Ziffern angegeben.In the 11 until 15th The details shown, the printing sequence of the webs is indicated in each case with consecutive digits.

Detail Nr.1 - Figur 11Detail # 1 - Figure 11

Beim Drucken der Bahnen Nr.1 bis Nr.27 kommt eine Düse 21.2 mit einem Trapez-Düsenquerschnitt zum Einsatz und bei den Bahnen Nr.28 bis Nr.35 eine Düse 21.6 mit einem ovalförmigen Querschnitt und zwar als Fülldüse. Aufgrund der gewählten Reihenfolge und der gewählten Düsenstellung ergeben sich bei den Bahnen Nr.1 bis Nr.27 im Kontaktbereich ein geometrischer Formschluss und infolgedessen auch eine erhöhte Bauteilstabilität. Im vorliegenden Beispiel wird zudem ein Hohlraum 44 geschaffen.When printing tracks 1 to 27, a nozzle comes out 21.2 with a trapezoidal nozzle cross-section and a nozzle for lanes 28 to 35 21.6 with an oval cross-section as a filling nozzle. Due to the selected sequence and the selected nozzle position, there is a geometrical form fit in the contact area of tracks 1 to 27 and, as a result, increased component stability. In the present example, a cavity is also used 44 created.

Detail Nr.2 - Figur 12Detail # 2 - Figure 12

Beim Drucken der Bahnen Nr.1 bis Nr.21 kommt eine Düse 21.1 mit einem L-Düsenquerschnitt zum Einsatz und zwar mit unterschiedlicher Düsenorientierung wie in der 10 angegeben ist. Dabei werden je nach Düsenorientierung zum einen punkt- bzw. linienförmige Verbindungen erzeugt und Hohlräume 44 geschaffen und zum anderen ein geometrischer Formschluss erzeugt, wie dies beispielsweise zwischen den Bahnen Nr.17 und Nr.20 der Fall ist.When printing tracks no.1 to no.21, a nozzle comes out 21.1 with an L-nozzle cross-section for use, namely with different nozzle orientations as in the 10 is specified. Depending on the nozzle orientation, point or line connections and cavities are created 44 and on the other hand a geometric form fit is created, as is the case, for example, between tracks no.17 and no.20.

Detail Nr.3 - Figur 13Detail # 3 - Figure 13

Hier kommen Düsen der Typen 21.3 (Flachdüse) und 21.5 (Runddüse) zum Einsatz. Da die Runddüse 21.5 einen vergleichsweise geringen Durchmesser aufweist, um Konturen möglichst exakt abbilden zu können, kann diese auch als Konturdüse bezeichnet werden. Der besseren Übersicht halber ist von einer Durchnummerierung der Bahnen abgesehen worden.Here come nozzles of the types 21.3 (Flat nozzle) and 21.5 (Round nozzle) is used. Because the round nozzle 21.5 has a comparatively small diameter, in order to be able to depict contours as precisely as possible, this can also be referred to as a contour nozzle. For the sake of clarity, the lanes are not numbered consecutively.

Detail Nr.4 - Figur 14Detail # 4 - Figure 14

Das Detail Nr.4 befindet sich am unteren Ende der Seitenwand 39 auf der Innenseite der Laminierform 36 (siehe auch 7). Bei diesem Detail kommen Düsen der Typen 21.2 (Trapezdüse) sowie 21.5 (Runddüse) zur Anwendung. Anstelle einer Runddüse 21.5 könnte auch eine Ovaldüse 21.6 verwendet werden. Die Reihenfolge der Bahnen und die Düsenorientierung sind in der 12 angegeben. Auf der in das Innere der Laminierform 36 weisenden schrägen Fläche des Details Nr.4 und damit der Seitenwand 39 wird eine glatte Oberfläche ausgebildet. Treppenstufen werden somit vermieden. Bei diesem Detail wird kein Hohlraum geschaffen, sondern es erfolgt ein Hinterfüllen mittels Runddüse 21.5 oder Ovaldüse 21.6.Detail # 4 is at the bottom of the side wall 39 on the inside of the lamination form 36 (see also 7th ). With this detail, there are nozzles of the types 21.2 (Trapezoidal nozzle) and 21.5 (Round nozzle) for use. Instead of a round nozzle 21.5 could also be an oval nozzle 21.6 be used. The order of the paths and the nozzle orientation are in the 12th specified. On the inside of the lamination form 36 facing inclined surface of detail no.4 and thus the side wall 39 a smooth surface is formed. Steps are thus avoided. In this detail, no cavity is created, but backfilling takes place using a round nozzle 21.5 or oval nozzle 21.6 .

Detail Nr.5 - Figur 15Detail # 5 - Figure 15

Das Detail Nr.5 befindet sich am oberen Ende der Seitenwand 39 auf der Innenseite der Laminierform 36 (siehe auch 7). Hier kommt eine kleine Flachdüse zum Einsatz, d.h. eine Düse des Typs 21.3 aus der 2. Auch hier wird auf der in das Innere der Laminierform 36 weisenden schrägen Fläche des Details Nr.5 und damit der Seitenwand 39 eine glatte Oberfläche ausgebildet, allerdings unter Verwendung der Düse 21.3 anstelle einer Düse vom Typ 21.2 wie in Detail Nr.4. Bei diesem Detail wird ebenfalls kein Hohlraum geschaffen, sondern es erfolgt ein Hinterfüllen mittels Runddüse 21.5 oder Ovaldüse 21.6. Bei dem Detail Nr.5 ist zu erkennen, dass durch die Bewegung von Düse und/oder Träger im Raum auch Bahnen mit einer schräg liegenden Oberfläche erzeugt werden können (siehe schräge Lage der Bahnen Nr.15 bis Nr.25).Detail # 5 is at the top of the side wall 39 on the inside of the lamination form 36 (see also 7th ). A small flat nozzle is used here, ie a nozzle of the type 21.3 from the 2 . Here too, the inside of the lamination mold is used 36 facing inclined surface of the detail number 5 and thus the side wall 39 formed a smooth surface, but using the nozzle 21.3 instead of a nozzle of the type 21.2 as in detail number 4. In this detail, no cavity is created either, but backfilling takes place using a round nozzle 21.5 or oval nozzle 21.6 . In detail no.5 it can be seen that the movement of the nozzle and / or carrier in space can also create tracks with an inclined surface (see inclined position of tracks no.15 to no.25).

Bei den in den 2 und 4 dargestellten Düsenaustrittsöffnungen handelt es sich um eine bevorzugte Auswahl an Formen von Düsenaustrittsöffnungen, die jedoch nicht als abschließend anzusehen ist. Je nach Geometrie des Bauteils können auch Düsen mit anderen Formen an Düsenaustrittsöffnungen, Insbesondere mit anderen Düsenquerschnitten, in dem Vorratsbehälter 20 bereitgehalten werden.In the 2 and 4th The nozzle outlet openings shown are a preferred selection of shapes of nozzle outlet openings, which, however, should not be regarded as conclusive. Depending on the geometry of the component, nozzles with other shapes can also be used at nozzle outlet openings, in particular with other nozzle cross-sections, in the storage container 20th be kept ready.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: Einschnecken-ExtruderSingle screw extruder
22: DosiereinheitDosing unit
33: Mehrachs-IndustrieroboterMulti-axis industrial robot
44th: DüsenwechselvorrichtungNozzle changing device
55: Träger bzw. DrucktischCarrier or printing table
66th: KunststoffstrangPlastic strand
77th: Zylindercylinder
88th: Schneckeslug
99: DrehantriebRotary drive
1010: Einfüllöffnung für KunststoffmaterialFilling opening for plastic material
1111: Düse bzw. DruckkopfNozzle or printhead
1212th: DüsengehäuseNozzle housing
1313th: DüsenkopfNozzle head
1414th: EinfülltrichterFeed hopper
1515th: Rohrpipe
1616: MaterialtrichterMaterial hopper
1717th: FörderzylinderDelivery cylinder
1818th: FörderschneckeAuger
1919th: DosierantriebDosing drive
2020th: Vorratsbehälter an DüsenReservoir on nozzles
21.1 ff.21.1 ff.: Düsen mit unterschiedlichen DüsenquerschnittenNozzles with different nozzle cross-sections
2222nd: Schmelzekanal im DüsengehäuseMelt channel in the nozzle housing
22a22a: Schmelzekanal-AnfangMelt channel start
22b22b: Schmelzekanal-EndeEnd of the melt channel
2323: Ringspalt im DüsengehäuseAnnular gap in the nozzle housing
2424: Wälzlagerroller bearing
2525th: LängsbohrungLongitudinal bore
2626th: Nadelneedle
2727: NadelantriebNeedle drive
2828: Getriebetransmission
2929: Ringspalt im DüsenkopfAnnular gap in the nozzle head
3030th: SchmelzeaustrittskanalMelt outlet channel
3131: VerbindungskanalConnection channel
3232: CAD-DatensatzCAD data set
3333: Modellaufbau (Datensatz?; Programm?)Model structure (data record ?; program?)
3434: EingabegerätInput device
3535: Steuerungsteering
3636: LaminierformLamination form
3737: Boden der LaminierformBottom of the lamination mold
38, 3938, 39: Seitenwände der LaminierformSide walls of the lamination mold
40-4340-43: BahnkurvenTrajectories
4444: Hohlraumcavity
5050: HohldorndüseHollow mandrel nozzle
5151: Gehäuse der HohldorndüseHousing of the hollow mandrel nozzle
51a51a: Vorderes GehäuseteilFront housing part
51b51b: Mittleres GehäuseteilMiddle part of the housing
51c51c: Hinteres GehäuseteilRear housing part
5252: Hohlraumcavity
5353: VerdrängungskörperDisplacement body
5454: LochplattePerforated plate
5555: RingspaltAnnular gap
5656: KühlkreislaufCooling circuit
5757: Isolierunginsulation
5858: KühlkanalCooling duct
58a58a: Vorlaufleader
58b58b: RücklaufRewind
61a61a: DüsenvorratsgestellNozzle storage rack
61b61b: DüsenhalterNozzle holder
6262: hydraulisches Schnellkupplungssystemhydraulic quick coupling system
62a62a: DichtflächeSealing surface
62b62b: DüsennutNozzle groove
62c62c: Schmelzekanal - DüseMelt channel - nozzle
62d62d: Schmelzekanal - PlastifizierungMelt channel - plasticization
6363: GetriebespindelmotorGear spindle motor
63a63a: SchiebebolzenSliding bolt
63b63b: Lager des SchiebebolzensBearing of the sliding bolt
6464: hydraulische Spannbuchsehydraulic clamping bush
64a64a: HydraulikflüssigkeitHydraulic fluid
64b64b: HydraulikkapselHydraulic capsule
64c64c: StiftPen
64d64d: Dichtung StiftSeal pen
6565: Pressfläche - DüsePress surface - nozzle
6666: Pressfläche - ÜbergabestückPress area - transfer piece
6767: ÜbergabestückHandover piece
6868: DüsenkörperNozzle body
70a70a: Vertikaler Abschnitt des Düsenhalters 61bVertical portion of the nozzle holder 61b
70b70b: Horizontaler Abschnitt des Düsenhalters 61bHorizontal portion of the nozzle holder 61b
70c70c: AusnehmungRecess

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 19815005 C2 [0003, 0004]
DE 202014103023 U1 [0004]
US 2017/0312985 A1 [0004]

Claims

A method for the additive manufacture of a component with a complex structure, wherein a flowable material is applied in tracks on a carrier in a program-controlled manner via a material discharge device, characterized in that several nozzles with differently shaped nozzle outlet openings are kept ready, according to a predetermined CAD geometry of the Component a program-controlled selection of a nozzle and the depositing of one or more webs of the material by means of the selected nozzle takes place, a connection being established between the output of the material discharge device and the selected nozzle, by means of which the material provided by the material discharge device is fed to the selected nozzle , whereby by means of the selected nozzle, one or more tracks of the material are deposited on the carrier and / or on existing tracks in a program-controlled manner in accordance with the specified CAD geometry, and a program m-controlled change of a nozzle is made.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that at least three, preferably at least four, in particular at least five different shapes of nozzle outlet openings are kept ready.

Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the carrier and / or the respectively selected nozzle are moved in space under program control.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a computer program is used which evaluates inputs from a user for desired properties of the component, for example inputs relating to surface roughness, stability, component tolerances, printing material, build rate or post-processing method, and that taking into account the evaluation from the Computer program the program-controlled selection of a nozzle and the program-controlled depositing of the webs by means of the selected nozzle is made.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that an extruder, a screw extruder, a twin screw extruder, a filament extruder, a disk extruder, a gear pump, mixing heads for processing reactive materials or a spray system is used as the material discharge device.

Device for the additive manufacture of a component with a complex structure, comprising a material discharge device, a nozzle changing device with a supply of several nozzles with differently designed shape of the nozzle outlet opening, in particular with a differently designed nozzle cross section, a control for the program-controlled selection of a nozzle and for the program-controlled movement of the nozzle relative to a carrier, whereby by means of the selected nozzle, one or more tracks can be stored on the carrier and / or on existing tracks in a program-controlled manner according to a predetermined CAD geometry, the material discharge device being designed so that a selected nozzle can be attached to a material outlet opening or that the nozzle can be connected to the material outlet opening by means of a line, with means for moving the nozzle and / or the carrier in space, and with means for carrying out an automated nozzle change at d he material discharge device.

Device according to Claim 6 , characterized in that an extruder, a screw extruder, a twin screw extruder, a filament extruder, a disk extruder, a gear pump, mixing heads for processing reactive materials or a spray system is used as the material discharge device.

Device according to one of the Claims 6 until 7th , characterized in that at least three, preferably at least four, in particular at least five different shapes of nozzle outlet openings are provided.

Device according to one of the Claims 6 until 8th , characterized in that one or more nozzles are provided with the following shape of the cross section of the nozzle outlet opening: trapezoidal, L-shaped, round, oval, rectangular, square.

Device according to one of the Claims 6 until 9 , characterized in that the nozzle has a nozzle housing with a recess in which a nozzle head is rotatably mounted, that the nozzle head has a longitudinal bore lying on the longitudinal axis of the nozzle, the longitudinal bore being in fluidic connection downstream with the nozzle outlet opening, the longitudinal bore being upstream in fluidic connection with an annular gap arranged in the nozzle housing, and that a rotary drive is provided with which the nozzle head can be rotated about the longitudinal axis of the nozzle.

Device according to Claim 10 , characterized in that a belt drive, a chain drive, a connecting rod, a rack or toothed wheels are provided as the rotary drive, a hydraulic motor or an electric motor being provided for actuation.

Device according to one of the Claims 6 until 11 , characterized in that the nozzle head is designed as a needle shut-off nozzle with an adjustable opening width, wherein the opening width can preferably be changed during operation of the device.

Device according to one of the Claims 10 until 12th , characterized in that the downstream end of the longitudinal bore merges into a material outlet channel that is in fluidic connection with the nozzle outlet opening, that a needle can be moved in the longitudinal bore along the longitudinal axis of the nozzle, that the diameter of the needle is smaller than the diameter of the Longitudinal bore, so that there is an annular gap in the nozzle head, that the diameter of the material outlet channel is smaller than the diameter of the needle, and that the distance between the tip of the needle and the inlet opening of the material outlet channel, which determines the opening width of the needle valve nozzle, can be set to predeterminable dimensions, wherein the distance can preferably be changed during operation of the device.

Device according to one of the Claims 6 until 13th , characterized in that one or more hollow mandrel nozzles are provided, in particular hollow mandrel nozzles with a hollow circular or a hollow rectangular, preferably hollow square, nozzle cross-section.

Device according to Claim 14 , characterized in that the displacement body in the hollow mandrel nozzle is equipped with a cooling device, the cooling device preferably having one or more cooling channels through which a coolant can flow.

Device according to Claim 15 , characterized in that the cooling device is at least partially equipped with insulation.

Device according to one of the Claims 6 until 16 , characterized in that a robot is provided, in particular a multi-axis robot, a linear robot or a gantry robot, and that the material discharge device is attached to the robot and can be moved in space by means of the robot, the nozzle being attached to the material discharge device.

Device according to one of the Claims 6 until 17th characterized in that a robot is provided, in particular a multi-axis robot, a linear robot or a gantry robot, and that the nozzle is attached to the robot and can be moved in space by means of the robot, with a flexible line between the material outlet opening of the material discharge device and the nozzle is provided.