DE102020115182B4 - Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials für einen Schmelzschichtauftrag, Drucker zum 3D-Drucken und Verfahren zum Regeln eines Auftragsmaterialflusses einer Extrudiervorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials für einen Schmelzschichtauftrag, Drucker zum 3D-Drucken und Verfahren zum Regeln eines Auftragsmaterialflusses einer Extrudiervorrichtung Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (101, 201) zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials (119) für einen Schmelzschichtauftrag, wobei die Vorrichtung eine Vorschubeinheit (103, 203) zum Vorschieben des Grundmaterials und eines geschmolzenen Auftragsmaterials (121) mit einer Vorschubkraft, eine Heizeinheit (111, 211) zum Schmelzen des Grundmaterials zu dem geschmolzenen Auftragsmaterial und eine Extruderdüse (113, 213) zum Extrudieren des geschmolzenen Auftragsmaterials für den Schmelzschichtauftrag aufweist, wobei die Vorrichtung eine Regeleinrichtung (117, 217) aufweist oder der Vorrichtung eine Regeleinrichtung zugeordnet ist, und die Vorrichtung zwischen der Vorschubeinheit und der Extruderdüse (113, 213) eine Kraftaufnahmeeinheit (107, 207) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine starre Halteeinheit (225) aufweist, wobei die Extruderdüse (113, 213) an der starren Halteeinheit angeordnet ist, und die Vorrichtung einen federnden Hebelarm (223) aufweist, wobei die Vorschubeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet ist, der federnde Hebelarm mit der starren Halteeinheit (225) verbunden ist und die Kraftaufnahmeeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet ist, sodass eine zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichtete Kraft mittels der Kraftaufnahmereinheit erfassbar und mittels der Regeleinrichtung zur Regelung einer Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubeinheit zum Einstellen eines konstanten Auftragsmaterialflusses nutzbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials für einen Schmelzschichtauftrag, wobei die Vorrichtung eine Vorschubeinheit zum Vorschieben des Grundmaterials und eines geschmolzenen Auftragsmaterials mit einer Vorschubkraft, eine Heizeinheit zum Schmelzen des Grundmaterials zu dem geschmolzenen Auftragsmaterial und eine Extruderdüse zum Extrudieren des geschmolzenen Auftragsmaterials für den Schmelzschichtauftrag aufweist, wobei die Vorrichtung eine Regeleinrichtung aufweist oder der Vorrichtung eine Regeleinrichtung zugeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Drucker zum 3D-Drucken mittels Schmelzschichtauftrag auf einer Bauplattform und ein Verfahren zum Regeln eines Auftragsmaterialflusses einer Extrudiervorrichtung.
  • Im privaten und industriellen Bereich werden 3D-Drucker eingesetzt, um mittels schichtweisen Auftragens von aufschmelzbarem Ausgangsmaterial Bauteile additiv zu fertigen. Das additive Fertigungsverfahren, auch FFF (Fused Filament Fabrication) genannt, ist ein Extrusionsverfahren, bei welchem üblicherweise thermoplastisches Ausgangsmaterial in Drahtform (auch Filament genannt) dem Extruder zugeführt wird. Das Aufschmelzen erfolgt vor und/oder in einer Extruderdüse mittels eines Heizelementes (auch Hot End genannt). Hierbei wird das Ausgangsmaterial bis zum Erreichen der Extrusionsöffnung der Extruderdüse üblicherweise in einem Temperaturbereich zwischen 180 °C bis 300 °C aufgeschmolzen und durch einen üblichen Düsenquerschnitt von 0,2 bis 0,4 mm extrudiert. Mittels einer Vorschubeinheit wird das feste, filamentförmige Ausgangsmaterial und folglich auch das mittels des Heizelementes aufgeschmolzene Ausgangsmaterial kontinuierlich zur Extrusionsöffnung vorgeschoben. Hierbei wird der Vorschub üblicherweise über einen Controller (Steuergerät) gesteuert, welcher häufig ebenfalls die Temperatur des Heizelementes einstellt.
  • Für den Aufbau der einzelnen Schichten beim 3D-Drucken wird die Extruderdüse mittels eines Linearantriebs üblicherweise in einer Ebene in X- und Y-Richtung bewegt, um die Konturen und Flächen mit dem geschmolzenen Ausgangsmaterial schichtweise zu belegen.
  • Ein großer Einflussfaktor für die Betriebssicherheit eines 3D-Druckers und die Qualität des Schmelzschichtauftrages stellt die Volumenkonstanz des geschmolzenen Auftragsmaterials dar. Zum einen besteht die Anforderung an einen konstanten Materialfluss und zum anderen muss sich der Druckkopf mit einer Geschwindigkeit proportional zur Geschwindigkeit des extrudierten Auftragsmaterials durch die Extruderdüse bewegen, damit vor allem ein Materialstau beim Schichtaufbau vermieden wird. In der Praxis schwankt der Materialfluss des geschmolzenen Auftragsmaterials jedoch und kann zu Qualitätsproblemen und zum Ausschuss des gefertigten Bauteils führen.
  • Die Steuerung des Extrusionsprozesses in der additiven Fertigung erfolgt üblicherweise über voreingestellte Werte, sodass lediglich in einer offenen Wirkungsweise ein voreingestellter Vorschub ausgeführt und somit ein vorgegebener Materialfluss verwendet wird. Eine Anpassung des Vorschubes und somit des Materialflusses findet häufig während des Prozesses nicht statt, sodass während des 3D-Druckens auftretende Störgrößen nicht berücksichtig und/oder ausgeglichen werden.
  • Aus der US 2019/0217546 A1 ist ein additives Fertigungssystem mit einem Extruder, Motor und Drucksensor bekannt, bei dem mittels eines Controllers die Messwerte des Drucksensors mit vorgegebenen Werten aus einem Modell verglichen und zur Einstellung der Extrusionsgeschwindigkeit des Extruders verwendet werden. Nachteilig hierbei ist, dass auf real auftretende Störgrößen des Extrusionsprozesses, welche nicht im Modell berücksichtigt sind, nicht adäquat eingegangen und somit der Materialfluss nicht optimal eingestellt werden kann.
  • Des Weiteren wird in der US 2019/0232566 A1 ein Extruder beschrieben, bei dem ein Anschluss fluidtechnisch eine Druckschnittstelle mit einem inneren Hohlraum der Extruderdüse koppelt und ein Drucksensor derart angeordnet und konfiguriert ist, um einen Druck im Inneren des Hohlraums der Extruderdüse durch die Druckschnittstelle zu messen und um eine Rückmeldung zum Antrieb zur Korrektur von Volumenstromfehlern zu geben. Jedoch ist hier ein zusätzlicher Anschluss an der Extruderdüse notwendig, welcher die Beweglichkeit der Extruderdüse und/oder des Druckkopfes im Bauraum einschränkt.
  • In der US 2019/0118258 A1 ist ein Verfahren zur Wartung einer Extruderdüse eines 3D-Druckers beschrieben, bei dem die Vorschubeinheit und die Extruderdüse an einem Querbalken schwenkbar angeordnet sind, um mittels dazwischen angeordneter Sensoren eine Blockade innerhalb des Extruderkanals oder am Ausgang der Extruderdüse festzustellen.
  • Die US 2020/0139634 A1 offenbart einen 3D-Drucker, bei dem ein Druckkraftsensor an verschiedenen Positionen, wie an einem Applikator, Transportkanal oder an der Extruderdüse angeordnet sein kann, um einen kraftbezogenen Parameter zu erfassen, bevor das Filament auf seine Schmelztemperatur aufgeheizt ist.
  • In der US 2015/0224713 A1 ist ein Verflüssiger zur Verwendung in einem extrusionsbasierten additiven Fertigungssystem offenbart, bei dem ein Sensor zwischen dem Verflüssigerrohr und dem Hohlliner an einer Schulter gehalten wird, um die Temperatur, den Druck oder die Flussrate der Schmelze zu überwachen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials für einen Schmelzschichtauftrag, wobei die Vorrichtung eine Vorschubeinheit zum Vorschieben des Grundmaterials und eines geschmolzenen Auftragsmaterials mit einer Vorschubkraft, einer Heizeinheit zum Schmelzen des Grundmaterials zu dem geschmolzenen Auftragsmaterial und eine Extruderdüse zum Extrudieren des geschmolzenen Auftragsmaterials für den Schmelzschichtauftrag aufweist, wobei die Vorrichtung eine Regeleinrichtung aufweist oder der Vorrichtung eine Regeleinrichtung zugeordnet ist, und die Vorrichtung zwischen der Vorschubeinheit und der Extruderdüse eine Kraftaufnahmeeinheit aufweist, wobei die Vorrichtung eine starre Halteeinheit aufweist, wobei die Extruderdüse an der starren Halteeinheit angeordnet ist, und die Vorrichtung einen federnden Hebelarm aufweist, wobei die Vorschubeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet ist, der federnde Hebelarm mit der starren Halteeinheit verbunden ist und die Kraftaufnahmeeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet ist, sodass eine zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichtete Kraft mittels der Kraftaufnahmeeinheit erfassbar und mittels der Regeleinrichtung zur Regelung einer Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubeinheit zum Einstellen eines konstanten Auftragsmaterialflusses nutzbar ist.
  • Somit wird eine Vorrichtung bereitgestellt, bei der mittels der Regeleinrichtung zur Regelung des Vorschubs des Grundmaterials und des geschmolzenen Auftragsmaterials der Materialfluss unmittelbar und aktiv beeinflussbar ist. Vor allem ist zeitnah während des Extrudierens ein konstanter Materialfluss des Auftragsmaterials aufgrund der Messwerte der Kraftaufnahmeeinheit mittels einer Rückkopplung über die Regeleinrichtung einstellbar.
  • Es ist besonders vorteilhaft, dass die Kraftaufnahmeeinheit, welche die zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichtete Kraft detektiert, direkt innerhalb des Extruders zwischen der Vorschubeinheit und der Extruderdüse angeordnet ist. Somit ist die Vorschubkraft und folglich die Vorschubgeschwindigkeit des Grundmaterials und des geschmolzenen Auftragsmaterials direkt und zeitnah während des Extrudierens korrigierbar und regelbar. Dadurch, dass die Kraftaufnahmeeinheit direkt innerhalb der Vorrichtung integriert ist, wird die Baugröße des Extruders nicht oder nur geringfügig erhöht. Zudem kann die Kraftaufnahmeeinheit derart angeordnet sein, dass eine Beweglichkeit der Extruderdüse und/oder eines Druckkopfes im Bauraum während des Auftragens nicht behindert und/oder eingeschränkt wird.
  • Somit ermöglicht die Vorrichtung mittels einer direkt regelbaren Extruderdüse ein optimales additives Fertigungsverfahren. Folglich werden die additive Fertigung und die plastische Verarbeitung insbesondere von Kunststoffen verbessert.
  • Durch die Kraftmessung am Extruder mittels der Kraftaufnahmeeinheit in Verbindung mit einem intelligenten Regelkreis der Regeleinrichtung ist die Qualität des Schmelzschichtauftrages beispielsweise auf eine Bauplattform messbar und/oder verbessert. Dadurch kann mittels der Vorrichtung die Produktivität erhöht und ein entsprechender 3D-Drucker als Industrie 4.0-Komponente ausgestaltet werden.
  • Üblicherweise weist die Extruderdüse einen geringeren Querschnitt als das feste Grundmaterial (Filament) auf und das Grundmaterial wird mittels der Heizeinheit in das geschmolzene Auftragsmaterial mit einer flüssigen bis pastösen Viskosität überführt. Dazu wird üblicherweise eine Vorschubkraft benötigt, um das Grundmaterial in Richtung zur Extruderdüse vorzuschieben und das geschmolzene Auftragsmaterial durch die Extruderdüse zu drücken. Hierbei wird die Vorschubeinheit mit einer der Vorschubkraft entgegengesetzten Kraft beaufschlagt, welche notwendig ist, um das geschmolzene Auftragsmaterial durch die Extruderdüse zu drücken. Die Kraftaufnahmeeinheit ist in der Vorrichtung (Extruder) derart integriert, dass diese entgegengesetzt gerichtete Kraft zwischen der Extruderdüse und der Vorschubeinheit detektiert wird. Somit wird durch die Kraftmessung mittels der Kraftaufnahmeeinheit eine Alternative zu einer Druckmessung bei einer Extrudiervorrichtung bereitgestellt.
  • Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass eine Kraftaufnahmeeinheit direkt zwischen der Vorschubeinheit und der Extruderdüse einer Extrudiervorrichtung, insbesondere direkt zwischen Vorschubeinheit und thermischer Barriere, welche üblicherweise vor der Heizeinheit zur Trennung von Vorschubeinheit und Heizeinheit sitzt, angeordnet ist und mittels der Kraftaufnahmeeinheit eine zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichtete Kraft detektiert und in einem geschlossenen Regelkreis von der Regeleinrichtung zur Regelung der Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubeinheit verwendet wird und dadurch direkt und zeitnah ein konstanter Auftragsmaterialfluss einstellbar ist.
  • Folgendes Begriffliche sei erläutert:
  • Eine „Vorrichtung“ (auch „Extrudiervorrichtung“ oder „Extruder“ genannt) ist insbesondere eine Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials. In der Vorrichtung wird ein insbesondere festes Grundmaterial mittels einer Vorschubeinheit in Richtung auf die Extruderdüse vorgeschoben und mittels einer Heizeinheit wird das Grundmaterial während des Vorschiebens zu dem geschmolzenen Auftragsmaterial aufgeschmolzen, wobei das geschmolzene Auftragsmaterial durch die Extruderdüse extrudiert wird.
  • Ein „Grundmaterial“ (auch Ausgangsmaterial genannt) ist insbesondere ein festes Material, welches aufgeschmolzen und im geschmolzenen Zustand als Auftragsmaterial extrudiert wird. Ein Grundmaterial weist insbesondere Kunststoff, Kunstharz, Keramik, Glas und/oder Metall und/oder Metalllegierung auf. Ein Grundmaterial kann auch Carbon- und/oder Graphitmaterial aufweisen. Zudem kann ein Grundmaterial auch Carbon-, Graphit- und/oder Glasfasern aufweisen.
  • Unter „Extrudieren“ wird insbesondere ein Pressen des geschmolzenen, zähflüssigen Auftragsmaterials durch die Extruderdüse verstanden.
  • Unter einem „Schmelzschichtauftrag“ wird insbesondere ein schichtweiser Auftrag von geschmolzenem, extrudierten Auftragsmaterials mittels der Vorrichtung auf eine Bau- und/oder Werkstückplattform verstanden. Beim Schmelzschichtauftrag erfolgt der Aufbau eines Körpers und/oder Bauteils üblicherweise, indem der 3D-Druckkopf wiederholt jeweils zeilenweise eine Arbeitsebene abfährt und die Arbeitsebene stapelnd nach oben verschoben wird, sodass eine Form des Körpers und/oder Bauteils schichtweise entsteht.
  • Unter „Schmelzen“ wird insbesondere ein Phasenübergang eines festen Grundmaterials in den pastösen oder flüssigen Aggregatzustand verstanden, sodass ein geschmolzenes Auftragsmaterial (geschmolzenes Grundmaterial) vorliegt. Das Schmelzen erfolgt insbesondere während des Vorschiebens des Grundmaterials in Richtung auf die Extruderdüse mittels der Heizeinheit. Bei einer „Heizeinheit“ (auch „Hot End“ genannt) handelt es sich insbesondere um ein Heizelement, mit welchem dem Grundmaterial Wärme zugeführt wird. Bei einem Heizelement kann es sich insbesondere um ein elektrisches und/oder induktives Heizelement handeln. Bei einem Heizelement kann es sich auch um ein mit einem Wärmeträger betriebenes Heizelement, zum Beispiel ein mit heißem Öl oder Heißwasser durchflossenen Heizelement, handeln. Die Heizeinheit ist insbesondere vor der Extruderdüse angeordnet oder in dieser integriert, sodass eine beheizte Extruderdüse vorliegt. Mittels der Heizeinheit wird das Grundmaterial insbesondere bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 60 °C bis 450 °C, bevorzugt zwischen 180 °C bis 300 °C zu dem geschmolzenen Auftragsmaterial aufgeschmolzen.
  • Eine „Extruderdüse“ ist insbesondere ein technisches Bauteil der Vorrichtung zur Beeinflussung des geschmolzenen Auftragsmaterials beim Übertritt von einer Rohrströmung in den freien Raum beim Schmelzschichtauftrag. Durch die Extruderdüse wird insbesondere das zähflüssige, geschmolzene Auftragsmaterial geformt. Die Extruderdüse weist auf ihrer gesamten Länge insbesondere eine gleiche Querschnittsfläche auf oder verjüngt sich hin zur Extruderdüsenöffnung zum Austritt des geschmolzenen Auftragsmaterials aus der Extruderdüse. Die Extruderdüse weist insbesondere eine Extruderdüsenöffnung (Auslass) mit einem Durchmesser in einem Bereich von 0,2 bis 0,8 mm, bevorzugt von 0,25 bis 0,4 mm, auf. An der Extruderdüse liegt insbesondere ein Druck in einem Bereich von 10 bis zu 1.500 Bar und/oder eine Temperatur von 60 °C bis 300 °C vor.
  • Eine „Vorschubeinheit“ ist beispielsweise eine Einrichtung der Extrudiervorrichtung, welche das feste Grundmaterial in Richtung auf die Extruderdüse und somit das aus dem Grundmaterial geschmolzene Auftragsmaterial fördert. Die Vorschubeinheit weist insbesondere einen Antrieb und/oder Motor auf. Die Vorschubeinheit wandelt insbesondere die rotatorische Motorbewegung in eine translatorische Vorschubbewegung des Grundmaterials (Filamentes) mit einer Vorschubkraft um.
  • Unter „Vorschubkraft“ wird beispielsweise die Kraft einer Vorschubbewegung verstanden, mit welcher das Grundmaterial kontinuierlich durch die Vorrichtung von der Vorschubeinheit bis zur Extruderdüse geführt und somit das Grundmaterial und das geschmolzene Auftragsmaterial durch die Vorrichtung hindurchbewegt und/oder gepresst wird.
  • Eine „entgegengesetzt gerichtete Kraft“ ist eine Kraft, welche der Vorschubkraft entgegengerichtet ist. Da entsprechend dem Grundsatz der technischen Mechanik allgemein die Vorschubkraft nur so groß wie die entgegengesetzte Kraft als Gegenkraft ist, wird insbesondere die Vorschubeinheit mit einer entgegengesetzt gerichteten Kraft beaufschlagt, welche notwendig ist, um das geschmolzene Auftragsmaterial durch die Extruderdüse zu drücken. Somit wird mittels der Kraftaufnahmeeinheit die zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichtete Kraft detektiert und folglich entsprechend auch die Vorschubkraft. Die entgegengesetzt gerichtete Kraft weist insbesondere eine Richtung auf, welche in umgekehrter Richtung zur Richtung der Vorschubkraft liegt. Bei der entgegengesetzt gerichteten Kraft kann es sich aber auch um eine Kraft handeln, welche jegliche, von der Richtung der Vorschubkraft abweichende und/oder unterschiedliche Richtung aufweist. Somit kann es sich bei der entgegengesetzt gerichteten Kraft beispielsweise auch um eine Kraft mit einer Richtung senkrecht zur Richtung der Vorschubkraft handeln.
  • Eine „Kraftaufnahmeeinheit“ ist insbesondere ein Messaufnehmer zum Messen einer Kraft. Die Kraftaufnahmeeinheit misst insbesondere eine Kraft, welche auf die Kraftaufnahmeeinheit einwirkt. Bei einer Kraftaufnahmeeinheit kann es sich insbesondere auch um einen Kraftsensor, einen Kraftaufnehmer und/oder eine Kraftmessdose handeln. Die Kraftaufnahmeeinheit misst insbesondere eine elastische Verformung, wobei Zug- und/oder Druckkräfte gemessen werden können. Mittels der Kraftaufnahmeeinheit wird insbesondere auch eine Dehnung und/oder Dehnungskraft detektiert. Eine Kraftaufnahmeeinheit ist beispielsweise ein piezoelektrischer Kraftsensor, ein Dehnungssensor und/oder ein Aufnehmer auf Basis eines Dehnungsmessstreifens.
  • Eine „Regeleinrichtung“ ist insbesondere eine Einrichtung, welche einen Messwert rückkoppelt und jeweils einen Stellwert einstellt. Mittels der Regeleinrichtung wird eine Regelgröße auch bei Einwirken einer Störung insbesondere entweder möglichst konstant gehalten (Festwertregelung) oder so beeinflusst, dass diese einer vorgegebenen zeitlichen Änderung folgt (Folgeregelung). Die Regeleinrichtung verwendet insbesondere die mittels der Kraftaufnahmeeinheit gemessene entgegengesetzt gerichtete Kraft und vergleicht diese mit einer gewählten Führungsgröße. Aufgrund der in der Regeleinrichtung bestimmten Regelabweichung erfolgt eine Anpassung der Vorschubkraft der Vorschubeinheit und somit der Vorschubgeschwindigkeit, dass insbesondere ein konstanter Auftragsmaterialfluss vorliegt. Die Regeleinrichtung weist insbesondere einen geschlossenen Regelkreis auf, um aktiv in den Vorschub der Extrudiervorrichtung einzugreifen und aktiv die Prozesse des Extrudierens zu regeln. Die Regeleinrichtung ist insbesondere im Gehäuse der Vorrichtung angeordnet oder die Regeleinrichtung ist der Vorrichtung extern zugeordnet und beide sind zumindest datentechnisch miteinander verbunden. Die Regeleinrichtung weist insbesondere einen Computer und/oder einen Mikrocontroller auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorschubeinheit einen Schrittmotor auf, wobei der Schrittmotor mittels der Regeleinrichtung aufgrund der erfassten entgegengesetzt gerichteten Kraft regelbar ist.
  • Somit wird zum Betrieb der Vorschubeinheit die rotatorische Bewegung mittels eines Schrittmotors realisiert, welcher präzise positionierbar ist und ein optimales Ansprechverhalten auf Geschwindigkeitsveränderungen sowie auf ein An- und Abfahren beim Starten und Stoppen aufweist. Somit ist eine genaue Reproduzierbarkeit der Vorschubbewegung ermöglicht und gewährleistet, dass die Regeleinrichtung im Betrieb in der Lage ist, die Drehzahl des Schrittmotors an die vorgegebene Vorschubkraft anzupassen. Folglich stellt die Kraftaufnahmeeinheit zur Messung der entgegengesetzt gerichteten Kraft und somit proportional zu der Vorschubkraft die erforderlichen Parameter zur Regelung der Geschwindigkeit des Schrittmotors bereit. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass der Vorschub präzise mittels des Schrittmotors als Antrieb erzeugt wird.
  • Ein „Schrittmotor“ ist insbesondere ein Synchronmotor, bei dem der Rotor als drehbares Motorteil der Welle durch ein gesteuertes, schrittweise rotierendes, elektromagnetisches Feld der Statorspulen als nicht drehbares Motorteil um einen kleinen Winkel (Schritt) oder sein Vielfaches gedreht werden kann. Bei einem Schrittmotor kann es sich insbesondere auch um einen Linearmotor handeln.
  • Um die entgegengesetzt gerichtete Kraft präzise am und/oder im Bereich des sich aufgrund des Vorschubs bewegenden festen Grundmaterials zu messen, ist die Kraftaufnahmeeinheit zwischen der Vorschubeinheit und der Heizeinheit angeordnet.
  • Folglich wird die Kraft insbesondere am sich bewegenden festen Filament oder dem sich bewegenden festen Filament zugeordnet bestimmt, bevor dieses zum Auftragsmaterial aufgeschmolzen wird.
  • Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine starre Halteeinheit auf, wobei die Extruderdüse an der starren Halterdüse angeordnet ist.
  • Durch die feste Halterung der Extruderdüse an der starren Halteeinheit wird eine hohe Positionsgenauigkeit der Extruderdüse sichergestellt, welche für einen qualitativ hochwertigen Extrusionsprozess notwendig ist.
  • Unter einer „starren Halteeinheit“ wird insbesondere ein Verbindungselement verstanden, welches die Extruderdüse in einer bestimmten Position hält, wobei die Halteeinheit selbst starr und somit nicht verformbar und nicht elastisch ist.
  • Um einen Biegebalken auszubilden, weist die Vorrichtung einen federnden Hebelarm auf, wobei die Vorschubeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet ist und der federnde Hebelarm mit der starren Halteeinheit verbunden ist.
  • Ein „federnder Hebelarm“ ist insbesondere ein Balken oder Hebel, welcher auf einer Seite befestigt ist und bei dem auf der entgegengesetzten Seite eine Krafteinleitung erfolgt. Somit wird die Vorschubeinheit über den federnden Hebelarm federnd gelagert und aufgrund der Vorschubkraft und der dadurch auftretenden entgegengesetzt gerichteten Kraft wird der federnde Hebelarm mit einer Dehnung und/oder Biegung beaufschlagt, welche mittels der Kraftaufnahmereinheit detektiert ist.
  • Erfindungsgemäß ist die Kraftaufnahmeeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet.
  • Somit wird ein Biegebalken zur Kraftmessung ausgebildet, wobei an dem federnden Hebelarm beispielsweise als Kraftsensor ein Dehnungsmessstreifen ist oder mehrere Dehnungsmessstreifen angeordnet sind. Hierbei wird die Vorschubeinheit aufgrund der federnden Lagerung am Hebelarm in vertikaler Richtung elastisch bewegt und resultierend durch die Vorschubkraft der Vorschubeinheit und dem entsprechenden Einwirken der entgegengesetzt gerichteten Kraft wird der Hebelarm elastisch verbogen. Dadurch ändert sich die Dehnung der beispielsweise längs au der Ober- und/oder Unterseite angebrachten Dehnungsmessstreifen. Folglich wird eine hochgenaue Messung der Kraft ermöglicht.
  • Bei der Ausführung als Biegebalken wird das feste Grundmaterial (Filament) zwischen dem Ausgang der Vorschubeinheit und dem Eingang der thermischen Barriere und/oder der Heizeinheit insbesondere durch einen Freiraum geschoben, welcher zwischen dem federnden Hebelarm und der daran verbundenen starren Halteeinheit ausgebildet ist.
  • In dem Freiraum zwischen der Unterseite des federnden Hebelarms und der starren Halteeinheit und somit zwischen der Unterseite der Vorschubeinheit und der Oberseite einer thermischen Barriere und/oder der Heizeinheit kann das Filament auch durch einen umgebenden Schlauch geschützt werden, wobei der Schlauch bevorzugt flexibel und/oder dehnbar ist. Dieser flexible und/oder dehnbare Schlauch ist zwischen dem federnden Hebelarm und der starren Halteeinheit insbesondere derart im Freiraum angeordnet, dass dieser nicht die Vorschubkraft aufnimmt. Dazu kann der flexible und/oder dehnbare Schlauch beispielsweise nur auf der Oberseite der starren Halteeinheit aufliegen, während dieser die Unterseite des federnden Hebelarmes nicht berührt und folglich die Kraftmessung am federnden Hebelarm nicht beeinflusst.
  • Um ein optimales Zuführen, Vorschieben und Aufschmelzen des Grundmaterials in der Vorrichtung zu ermöglichen, weist das Grundmaterial ein thermoplastisches Material in Form eines Filamentes auf.
  • Bei einem „thermoplastischen Material“ handelt es sich insbesondere um einen Kunststoff, welcher sich in einem bestimmten Temperaturbereich thermoplastisch verformen lässt. Dieser Verformungsvorgang ist reversibel, sodass dieser durch Abkühlen und Wiedererwärmen bis in den schmelzflüssigen Zustand beliebig oft wiederholt werden kann. Bei einem thermoplastischen Material handelt es sich insbesondere um ein Formwachs oder einen thermoplastischen Kunststoff, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polylactid, ABS und/oder um ein thermoplastisches Elastomer.
  • Ein „Filament“ ist insbesondere ein Druckfilament. Bei einem Filament handelt es sich insbesondere um eine einzige Faser oder um Fasern beliebiger Länge. Bei einem Filament kann es sich auch um einen Draht handeln. Ein Filament weist insbesondere einen Durchmesser in einem Bereich von 0,5 bis 5,0 mm, bevorzugt von 1,75 bis 3,0 mm, auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung als Direkt-Extruder oder als Bowden-Extruder ausgebildet.
  • Somit sind mittels der Vorrichtung verschiedene Extruder-Typen mit einem optimalen Schmelzschichtauftrag realisierbar.
  • Bei einem „Direkt-Extruder“ befindet sich insbesondere die Vorschubeinheit und somit der Schrittmotor, welcher das Filament zuführt, direkt am Druckkopf und somit an der Extruderdüse. Dagegen wird beim „Bowden-Extruder“ die Vorschubeinheit und somit der Schrittmotor in einem vorgegebenen Abstand zu dem Druckkopf und somit der Extruderdüse platziert, wodurch das Gewicht auf die Mechanik des Druckkopfes minimiert und Vibrationen vermieden werden. Hierbei wird das Filament von der Vorschubeinheit üblicherweise durch einen langen flexiblen PTFE-Schlauch bis zum Hot End (beheizte Extruderdüse) geführt.
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Drucker zum 3D-Drucken mittels Schmelzschichtauftrag auf einer Bauplattform, wobei der Drucker mindestens eine zuvor beschriebene Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials für einen Schmelzschichtauftrag aufweist.
  • Somit wird ein sich selbst regelnder Drucker zum 3D-Drucken bereitgestellt, bei dem ein Materialstau des aufgeschmolzenen Auftragsmaterials vermieden und ein optimaler Schmelzschichtauftrag auf die Bauplattform gewährleistet wird. Dadurch wird mittels des Druckers insbesondere im industriellen Bereich die Produktivität erhöht und eine Industrie 4.0-Komponente bereitgestellt. Folglich wird bei diesem Drucker aufgrund der Extruder-Kraftmessung in Verbindung mit dem intelligenten Regelkreis der Regeleinrichtung die Qualität der Druckleistung erfasst und optimal genutzt.
  • In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Regeln eines Auftragsmaterialflusses einer Extrudiervorrichtung, wobei die Extrudiervorrichtung eine Vorschubeinheit, eine Heizeinheit, eine Extruderdüse und eine Kraftaufnahmeeinheit aufweist, und die Extrudiervorrichtung eine Regeleinrichtung aufweist oder der Extrudiervorrichtung eine Regeleinrichtung zugeordnet ist, mit folgenden Schritten:
    • - Vorschieben eines Grundmaterials in der Extrudiervorrichtung mittels der Vorschubeinheit mit einer Vorschubkraft,
    • - Schmelzen des Grundmaterials zu einem geschmolzenen Auftragsmaterial mittels der Heizeinheit,
    • - Extrudieren des geschmolzenen Auftragsmaterials durch die Extruderdüse für einen Schmelzschichtauftrag,
    • - Erfassen einer zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichteten Kraft mittels der Kraftaufnahmeeinheit während des Vorschiebens und Extrudierens, und
    • - Regeln einer Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubeinheit aufgrund der erfassten entgegengesetzt gerichteten Kraft mittels der Regeleinrichtung derart, dass ein konstanter Auftragsmaterialfluss einstellbar ist.
  • Mittels des Verfahrens wird eine intelligente Regelung des Vorschubes in einer Extrudiervorrichtung bei einem additiven Fertigungsverfahren mittels der Extruderkraft zur Bereitstellung eines konstanten Materialflusses realisiert. Das Verfahren verwendet insbesondere eine Extrudiervorrichtung, wobei es sich bei der Extrudiervorrichtung um eine zuvor beschriebene Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials für einen Schmelzschichtauftrag handeln kann.
  • Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
    • 1 eine stark schematische Schnittdarstellung eines Extruders mit einem Kraftsensor angeordnet zwischen einer Vorschubeinheit und einer thermischen Barriere,
    • 2 eine Alternative eines Extruders mit einem Biegebalken und einem starren Halter, und
    • 3 die Darstellung eines geschlossenen Regelkreises zum Regeln einer Ist-Extrusionsmenge.
  • Ein Extruder 101 weist eine Vorschubeinheit 103 mit einem Schrittmotor 105 auf. An der Vorschubeinheit ist eine Regeleinrichtung 117 angeordnet, welche extern jeweils mittels eines Strom- und Datenkabels verbunden ist (siehe 1). An einer Unterseite der Vorschubeinheit 103 ist ein Kraftsensor 107 gefolgt von einer thermischen Barriere 109 angeordnet. An der Unterseite der thermischen Barriere 109 folgt ein Heizelement 111 und eine Extruderdüse 113. Unterhalb des Extruders 101 ist eine Plattform 115 für einen Schmelzschichtauftrag angeordnet.
  • Der Extruder 101 weist von einer Oberseite der Vorschubeinheit 103 bis zu einem Auslass der Extruderdüse 113 einen durchgehenden Freiraum auf, durch welchen ein Filament 119 geführt ist. Das Filament 119 weist einen Durchmesser von 3 mm auf. Dagegen weist der Auslass der Extruderdüse 113 einen Durchmesser von 0,25 mm auf.
  • Folgende Arbeitsvorgänge werden mit dem Extruder 101 realisiert:
  • Das Filament 119 wird kontinuierlich durch die Vorschubeinheit 103 angetrieben durch den Schrittmotor 105 durch den Freiraum durch den Kraftsensor 107, die thermische Barriere 109, das Heizelement 111 und die Extruderdüse 113 gefördert. Hierbei dient die thermische Barriere 109 zur thermischen Trennung des heißen Heizelementes 111 von der zuvor angeordneten Vorschubeinheit 103. Mittels des Heizelementes 111 wird das Filament, welches Polylactide aufweist, auf eine Temperatur von 200 °C erwärmt, wodurch dieses in einen geschmolzenen pastösen Zustand übergeht. Das aufgeschmolzene Filament wird mit einem hohen Druck durch die Extruderdüse 113 gepresst und als geschmolzenes Auftragsmaterial 121 als Schmelzschichtauftrag auf die Plattform 115 aufgebracht.
  • Während des kontinuierlichen Vorschubs des Filaments 119 wird mittels des Kraftsensors 107 eine zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichtete Kraft kontinuierlich gemessen, welche aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser des Filamentes und des Auslasses der Extruderdüse 113 sowie einer Durchmesserverengung in der Extruderdüse 113 auftritt. Die mittels des Kraftsensors 107 ermittelten Kraft-Messwerte werden an die Regeleinrichtung 117 übertragen und zum Regeln der Vorschubgeschwindigkeit des Filamentes 119 mittels der Vorschubeinheit derart verwendet, dass ein konstanter Auftragsmaterialfluss des geschmolzenen Auftragsmaterials 121 vorliegt.
  • In einer Alternative weist ein Extruder 201 eine Vorschubeinheit 203 auf, welche an einem Biegebalken 223 angeordnet ist. An einem der Vorschubeinheit 203 entgegengesetzten Ende des Biegebalkens 223 ist der Biegebalken 223 mittels zweier Schrauben 227 an einem starren Halter 225 befestigt (siehe 2). Außerhalb dieses Befestigungsbereiches liegt zwischen einer Unterseite des Biegebalkens 223 und einer Oberseite des starren Halters 225 ein Freiraum mit einem Abstand 229 vor.
  • An der den Schrauben 227 gegenüberliegenden Seite des starren Halters 225 ist eine thermische Barriere 209 gefolgt von einem Heizelement 211 und einer Extruderdüse 213 angeordnet. Hierbei ist eine vertikale Öffnung zur Durchführung eines in 2 nicht gezeigten Filamentes durch die Vorschubeinheit 203 und durch die thermische Barriere 209, das Heizelement 211 und die Extruderdüse 211 in einer vertikalen Richtung bündig angeordnet, sodass das nicht gezeigte Filament mittels der Vorschubeinheit 203 gerade nach unten durch den Freiraum mit dem Abstand 229 direkt weiter in die vertikale Öffnung der thermischen Barriere 209 geschoben wird.
  • Auf der Oberseite des Biegebalkens 223 ist ein Kraftsensor 207, welcher als Dehnungsmessstreifen ausgebildet ist, aufgeklebt.
  • Mit dem Extruder 201 werden die oben beschriebenen analogen Arbeitsvorgänge des Vorschiebens, Aufschmelzens und Extrudierens des Filamentes analog durchgeführt.
  • Mittels des starren Halters 225 wird die Extruderdüse 213 positionsgenau gehalten. Dagegen ist die Vorschubeinheit 203 über den flexiblen Biegebalken 223 federnd gelagert und in vertikaler Richtung elastisch bewegt. Aufgrund einer Vorschubkraft der Vorschubeinheit 203 und einer Einwirkung einer entsprechend entgegengesetzt gerichteten Kraft wird der Biegebalken 223 mit einer Dehnung beaufschlagt, welche sich proportional zur Vorschubkraft verhält und mittels des Kraftsensors 207 erfasst wird. Vom Kraftsensor 207 werden die kontinuierlich bestimmten Kraft-Messwerte an die in 2 nicht gezeigte Regeleinrichtung 217 übergeben.
  • Zur Regelung wird im Extruder 201 eine Soll-Extrusionsmenge 231 vorgegeben und dieser Wert an die Regeleinrichtung 217 übergeben. In der Regeleinrichtung 217 wird ein Motorvorschub errechnet und zur Vorschubanpassung 235 an den in 2 nicht gezeigten Schrittmotor 205 übergeben (siehe 3).
  • Während des Aufschmelzens und Extrudierens auftretende Störgrößen, wie eine Durchmesserabweichung des Filamentes und eine minimale Temperaturabweichung an dem Heizelement 211, bewirken eine Änderung der Ist-Extrusionsmenge 239 und werden als Änderungen bei den gemessenen Kraft-Messwerte registriert und als Eingangsgröße 241 vom Kraftsensor 207 erfasst. Diese werden vom Kraftsensor 207 als Rückführung 243 an die Regeleinrichtung 217 zur Einstellung der erforderlichen Soll-Extrusionsmenge 231 übergeben. Somit wird über einen geschlossenen Regelkreis mittels des Kraftsensors 207 und der Regeleinrichtung 217 eine konstante Ist-Extrusionsmenge 239 und somit ein konstanter Auftragsmaterialfluss eingestellt.
  • Folglich wird ein sich selbst regelnder Extruder 201 bereitgestellt, welcher eine kontinuierliche, gleichbleibende Auftragsqualität und somit Bauteil-Qualität gewährleistet.
  • Bezugszeichenliste
    • 101
    Extruder
    103
    Vorschubeinheit
    105
    Schrittmotor
    107
    Kraftsensor
    109
    Thermische Barriere
    111
    Heizelement
    113
    Extruderdüse
    115
    Plattform
    117
    Regeleinrichtung
    119
    Filament
    121
    geschmolzenes Auftragsmaterial
    201
    Extruder
    203
    Vorschubeinheit
    205
    Schrittmotor
    207
    Kraftsensor
    209
    Thermische Barriere
    211
    Heizelement
    213
    Extruderdüse
    217
    Regeleinrichtung
    223
    Biegebalken
    225
    starrer Halter
    227
    Schraube
    229
    Abstand
    231
    Soll-Extrusionsmenge
    233
    Information der Regelabweichung
    235
    Vorschubanpassung
    237
    Störgröße
    239
    Ist-Extrusionsmenge
    241
    Eingangsgröße
    243
    Rückführung

Claims (7)

  1. Vorrichtung (101, 201) zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials (119) für einen Schmelzschichtauftrag, wobei die Vorrichtung eine Vorschubeinheit (103, 203) zum Vorschieben des Grundmaterials und eines geschmolzenen Auftragsmaterials (121) mit einer Vorschubkraft, eine Heizeinheit (111, 211) zum Schmelzen des Grundmaterials zu dem geschmolzenen Auftragsmaterial und eine Extruderdüse (113, 213) zum Extrudieren des geschmolzenen Auftragsmaterials für den Schmelzschichtauftrag aufweist, wobei die Vorrichtung eine Regeleinrichtung (117, 217) aufweist oder der Vorrichtung eine Regeleinrichtung zugeordnet ist, und die Vorrichtung zwischen der Vorschubeinheit und der Extruderdüse (113, 213) eine Kraftaufnahmeeinheit (107, 207) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine starre Halteeinheit (225) aufweist, wobei die Extruderdüse (113, 213) an der starren Halteeinheit angeordnet ist, und die Vorrichtung einen federnden Hebelarm (223) aufweist, wobei die Vorschubeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet ist, der federnde Hebelarm mit der starren Halteeinheit (225) verbunden ist und die Kraftaufnahmeeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet ist, sodass eine zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichtete Kraft mittels der Kraftaufnahmereinheit erfassbar und mittels der Regeleinrichtung zur Regelung einer Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubeinheit zum Einstellen eines konstanten Auftragsmaterialflusses nutzbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubeinheit einen Schrittmotor (105, 205) aufweist, wobei der Schrittmotor mittels der Regeleinrichtung aufgrund der erfassten entgegengesetzt gerichteten Kraft regelbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftaufnahmeeinheit zwischen der Vorschubeinheit und der Heizeinheit angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial ein thermoplastisches Material in Form eines Filamentes (119) aufweist.
  5. Vorrichtung einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Direkt-Extruder oder Bowden-Extruder ausgebildet ist.
  6. Drucker zum 3D-Drucken mittels Schmelzschichtauftrag auf einer Bauplattform, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucker mindestens eine Vorrichtung (101, 201) zum Schmelzen und Extrudieren eines Grundmaterials für einen Schmelzschichtauftrag nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.
  7. Verfahren zum Regeln eines Auftragsmaterialflusses einer Extrudiervorrichtung (101, 201), wobei die Extrudiervorrichtung eine Vorschubeinheit (103, 203), eine Heizeinheit (111, 211), eine Extruderdüse (113, 213), eine Kraftaufnahmeeinheit (107, 207), eine starre Halteeinheit (225) und einen federnden Hebelarm (223) aufweist, wobei die Extruderdüse (113, 213) an der starren Halteeinheit angeordnet ist, die Vorschubeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet ist, der federnde Hebelarm mit der starren Halteeinheit (225) verbunden ist, die Kraftaufnahmeeinheit an dem federnden Hebelarm angeordnet ist und die Extrudiervorrichtung eine Regeleinrichtung (117, 217) aufweist oder der Extrudiervorrichtung eine Regeleinrichtung zugeordnet ist, mit folgenden Schritten: - Vorschieben eines Grundmaterials in der Extrudiervorrichtung mittels der Vorschubeinheit mit einer Vorschubkraft, - Schmelzen des Grundmaterials zu einem geschmolzenen Auftragsmaterials mittels der Heizeinheit, - Extrudieren des geschmolzenen Auftragsmaterials durch die Extruderdüse für einen Schmelzschichtauftrag, - Erfassen einer zu der Vorschubkraft entgegengesetzt gerichteten Kraft mittels der Kraftaufnahmereinheit während des Vorschiebens und Extrudierens, und - Regeln einer Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubeinheit aufgrund der erfassten entgegengesetzt gerichteten Kraft mittels der Regeleinrichtung derart, dass ein konstanter Auftragsmaterialfluss einstellbar ist.
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