DE102020206541A1 - System for additive manufacturing of components - Google Patents

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Lars Bognar
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1) zum additiven Fertigen von Bauteilen, aufweisend wenigstens eine Vorrichtung (2) zum additiven Fertigen von Bauteilen und wenigstens ein mit der Vorrichtung (2) verarbeitbares Kunststofffilament (3), wobei die Vorrichtung (2) wenigstens eine Lasereinrichtung (4) aufweist, mit der ein Laserstrahl (5) erzeugbar ist. Um einen Zeitaufwand zur additiven Fertigung von Bauteilen unter Verwendung eines FFF-Verfahrens zu verringern, weist das Kunststofffilament (3) eine für den Laserstrahl (5) nicht transparente Filamentkernfaser (6) und eine für den Laserstrahl (5) transparente, die Filamentkernfaser (6) radial außen umschließende Außenhülle (7) auf, wobei die Lasereinrichtung (4) den Laserstrahl (5) derart erzeugt, dass der Laserstrahl (5) auf die Filamentkernfaser (6) fokussiert ist.The invention relates to a system (1) for the additive manufacturing of components, comprising at least one device (2) for the additive manufacturing of components and at least one plastic filament (3) that can be processed with the device (2), the device (2) at least one laser device (4), with which a laser beam (5) can be generated. In order to reduce the time required for additive manufacturing of components using an FFF process, the plastic filament (3) has a filament core fiber (6) that is not transparent for the laser beam (5) and one that is transparent for the laser beam (5), the filament core fiber (6 ) outer sheath (7) enclosing radially on the outside, the laser device (4) generating the laser beam (5) in such a way that the laser beam (5) is focused on the filament core fiber (6).

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum additiven Fertigen von Bauteilen, aufweisend wenigstens eine Vorrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen und wenigstens ein mit der Vorrichtung verarbeitbares Kunststofffilament, wobei das Kunststofffilament mittels der Vorrichtung erhitzt wird.The invention relates to a system for additive manufacturing of components, having at least one device for additive manufacturing of components and at least one plastic filament that can be processed with the device, the plastic filament being heated by means of the device.

Unter der Bezeichnung Fused Filament Fabrication (FFF) ist ein additives Fertigungsverfahren bzw. 3D-Druckverfahren bekannt, mit dem ein Bauteil schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff aufgebaut werden kann. Dieses Verfahren eignet sich sowohl für Heimanwendungen als auch für kommerzielle Anwendungen. Dabei werden üblicherweise Kunststoffwerkstoffe, insbesondere thermoplastische Kunststoffwerkstoffe, in Form von Kunststofffilamenten verwendet. Ein Filamentdurchmesser ist standardisiert und beträgt entweder 1,75 mm oder 2,85 mm.An additive manufacturing process or 3D printing process is known under the name Fused Filament Fabrication (FFF), with which a component can be built up in layers from a meltable plastic. This method is suitable for both home and commercial applications. Plastic materials, in particular thermoplastic plastic materials, are usually used in the form of plastic filaments. A filament diameter is standardized and is either 1.75 mm or 2.85 mm.

Diese Technologie ist relativ kostengünstig und liefert gute Ergebnisse. Auch die übrige Infrastruktur ist konstruktiv recht einfach, da keine Pulver vor oder während des Herstellungsprozesses gelagert werden müssen. Somit muss auch nach einem Druckvorgang kein Pulver entfernt werden.This technology is relatively inexpensive and gives good results. The rest of the infrastructure is also quite simple in terms of design, since no powders have to be stored before or during the manufacturing process. This means that no powder has to be removed even after a printing process.

Ein Begrenzungsfaktor der beschriebenen Technologie ist deren Geschwindigkeit bzw. Schnelligkeit. Dabei wird ein Kunststofffilament in einem Druckkopf geschmolzen, kurz bevor eine Extrusion des geschmolzenen Kunststoffs stattfindet. Das Schmelzen des Kunststofffilaments erfolgt durch das Pressen des Kunststofffilaments durch ein beheiztes Rohr. Hierdurch wird zuerst die Außenfläche des Kunststofffilaments beheizt, wobei auf die Außenfläche einwirkende Wärme später von der Außenfläche zu inneren Bereichen des Kunststofffilaments übertragen wird. Das Kunststofffilament wird herkömmlich also von außen nach innen beheizt.A limiting factor of the technology described is its speed or rapidity. A plastic filament is melted in a printhead just before the melted plastic is extruded. The plastic filament is melted by pressing the plastic filament through a heated pipe. As a result, the outer surface of the plastic filament is first heated, with heat acting on the outer surface being later transferred from the outer surface to inner regions of the plastic filament. The plastic filament is conventionally heated from the outside to the inside.

Ein Nachteil ist, dass ein Kunststofffilament herkömmlich nicht schnell erhitzt werden kann, da aufgrund des kleinen Wärmeübertragungskoeffizienten des Kunststofffilaments ein innerster Teil des Kunststofffilaments erst nach einer bestimmten Zeit geschmolzen wird. Wenn aber der Druckkopf zu heiß wäre, um das Material eines Kunststofffilaments schneller zu schmelzen, würde das Material des Kunststofffilaments an der Außenfläche desselben verschlechtert, was nicht nur zu schlechten mechanischen Eigenschaften von entsprechend hergestellten Bauteilen, sondern auch zur Freisetzung eines gefährlichen Rauchs führen würde.A disadvantage is that a plastic filament conventionally cannot be heated quickly because, due to the small heat transfer coefficient of the plastic filament, an innermost part of the plastic filament is only melted after a certain time. But if the printhead were too hot to melt the material of a plastic filament faster, the material of the plastic filament on the outer surface of the same would deteriorate, which would not only lead to poor mechanical properties of correspondingly manufactured components, but also to the release of a dangerous smoke.

Die DE 10 2016 006 247 A1 offenbart eine Anordnung für eine Laserheizung zum Aufschmelzen von Filamenten. Die Laserheizung weist einen Druckkopf, eine axiale Bohrung zur Durchführung des Filaments, wenigstens zwei Bohrungen und ein Außengewinde auf. Ein optisch transparenter Düsenkörper weist einen Umlenkringspiegel, eine Düse und ein Innengewinde auf. Wenigstens ein Laser gleicher oder unterschiedlicher elektromagnetischer Wellenlänge und leistungssteuerbar wird durch eine Bohrung über den Umlenkringspiegel auf das Filament geführt. Die durch die Aufschmelzung des Filaments bedingte Infrarotstrahlung wird über den Umlenkringspiegel und eine Bohrung auf wenigstens einen Infrarotsensor geführt.the DE 10 2016 006 247 A1 discloses an arrangement for laser heating for melting filaments. The laser heater has a print head, an axial bore for the passage of the filament, at least two bores and an external thread. An optically transparent nozzle body has a deflecting ring mirror, a nozzle and an internal thread. At least one laser of the same or different electromagnetic wavelength and power controllable is guided through a hole over the deflecting ring mirror onto the filament. The infrared radiation caused by the melting of the filament is guided via the deflecting ring mirror and a hole to at least one infrared sensor.

Die US 2019 / 0 022 961 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Teils mittels geschmolzenen Filaments. Das Verfahren umfasst ein Mischen eines Additivmaterials, das mit einem thermoplastischen Material elektrisch leitend ist, ein Bilden eines Filaments aus Materialien, die das mit dem Additivmaterial vermischte thermoplastische Material enthalten, ein Führen des Filaments durch ein magnetisches Wechselfeld, sodass das Additivmaterial durch das magnetische Wechselfeld induktiv erwärmt wird und somit das thermoplastische Material des Filaments erwärmt, und ein Ablagern der Materialien des Filaments auf einer zuvor abgeschiedenen Schicht des Teils, um eine neu abgeschiedene Schicht des Teils zu bilden. Das thermoplastische Material wird in der neu abgeschiedenen Schicht ausreichend erwärmt, sodass das thermoplastische Material der neu abgeschiedenen Schicht mit dem thermoplastischen Material der zuvor abgeschiedenen Schicht verschmilzt.US 2019/0 022 961 A1 discloses a method for producing a thermoplastic part by means of molten filament. The method comprises mixing an additive material which is electrically conductive with a thermoplastic material, forming a filament from materials which contain the thermoplastic material mixed with the additive material, guiding the filament through an alternating magnetic field so that the additive material passes through the alternating magnetic field inductively heating, thus heating the thermoplastic material of the filament, and depositing the materials of the filament on a previously deposited layer of the part to form a newly deposited layer of the part. The thermoplastic material in the newly deposited layer is heated sufficiently so that the thermoplastic material of the newly deposited layer fuses with the thermoplastic material of the previously deposited layer.

Die US 2019/0 366 480 A1 offenbart ein additives Fertigungssystem mit einer Anordnung von Laserstrahlen, die aus verschiedenen Richtungen ausgehen und auf einen gemeinsamen Brennpunkt treffen, und einer Zuführung zum Zuführen eines Teils eines Metalldrahts zu dem Brennpunkt. Die Laserstrahlen schmelzen gemeinsam den Teil des Metalldrahts, um eine Metallschicht auf einem Trägersubstrat zu bilden. Ein Aktuator bewirkt eine Relativbewegung zwischen dem Metalldraht und dem Trägersubstrat, um ein 3D-Objekt aus mehreren Schichten zu erzeugen.the US 2019/0 366 480 A1 discloses an additive manufacturing system having an array of laser beams emanating from different directions and striking a common focal point and a feeder for feeding a portion of a metal wire to the focal point. The laser beams together melt the part of the metal wire to form a metal layer on a carrier substrate. An actuator causes a relative movement between the metal wire and the carrier substrate in order to create a 3D object made up of several layers.

Die CN 207 028 180 U offenbart eine Laser-Schmelzablagerungs-LFDM-Formvorrichtung, mit der ein Draht mittels Laserstrahlung schmelzbar ist.the CN 207 028 180 U discloses a laser melt deposition LFDM forming apparatus capable of melting a wire by means of laser radiation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zeitaufwand zur additiven Fertigung von Bauteilen unter Verwendung eines FFF-Verfahrens zu verringern.The invention is based on the object of reducing the time required for additive manufacturing of components using an FFF method.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei das Kunststofffilament eine für den Laserstrahl nicht transparente Filamentkernfaser und eine für den Laserstrahl transparente, die Filamentkernfaser radial außen umschließende Außenhülle aufweist und die Lasereinrichtung den Laserstrahl derart erzeugt, dass der Laserstrahl auf den Filamentkern fokussiert ist.According to the invention the object is achieved by a system with the features of claim 1, wherein the plastic filament is one for the Has a filament core fiber that is not transparent to the laser beam and an outer sheath that is transparent to the laser beam and encloses the filament core fiber radially on the outside, and the laser device generates the laser beam in such a way that the laser beam is focused on the filament core.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.It should be pointed out that the features and measures listed individually in the following description can be combined with one another in any technically meaningful manner and show further embodiments of the invention. The description additionally characterizes and specifies the invention, in particular in connection with the figures.

Erfindungsgemäß wird das Kunststofffilament von innen erhitzt, indem Energie des Laserstrahls teilweise oder vollständig von der Filamentkernfaser absorbiert wird, während der Laserstrahl die Außenhülle passiert, ohne dass Energie des Laserstrahls absorbiert wird. Die von der Filamentkernfaser aufgenommene Energie wird teilweise radial nach außen auf die Außenhülle übertragen, wodurch auch die Außenhülle zeitversetzt nach der Filamentkernfaser erhitzt wird. Durch diese Erhitzung des Kunststofffilaments kann das Kunststofffilament entweder lediglich erhitzt oder zudem geschmolzen werden.According to the invention, the plastic filament is heated from the inside in that energy of the laser beam is partially or completely absorbed by the filament core fiber, while the laser beam passes through the outer sheath without energy of the laser beam being absorbed. The energy absorbed by the filament core fiber is partially transferred radially outward to the outer sheath, whereby the outer sheath is also heated with a time delay after the filament core fiber. As a result of this heating of the plastic filament, the plastic filament can either only be heated or also melted.

Dass die Filamentkernfaser des Kunststofffilaments für den Laserstrahl nicht transparent ist, bedeutet, dass die Filamentkernfaser im Wesentlichen die gesamte eingestrahlte Energie des Laserstrahls absorbiert und in Wärmeenergie umwandelt. Die Filamentkernfaser besteht also aus einem Material, dass für die Wellenlänge des Laserstrahls stark absorbierend ist.The fact that the filament core fiber of the plastic filament is not transparent to the laser beam means that the filament core fiber absorbs essentially all of the radiated energy of the laser beam and converts it into thermal energy. The filament core fiber consists of a material that is highly absorbent for the wavelength of the laser beam.

Dass die Außenhülle des Kunststofffilaments für den Laserstrahl transparent ist, bedeutet, dass die Außenhülle im Wesentlichen keine eingestrahlte Energie des Laserstrahls absorbiert. Die Außenhülle besteht also aus einem Material, dass für die Wellenlänge des Laserstrahls nicht absorbierend ist. Die Außenhülle ist koaxial zu der Filamentkernfaser angeordnet und umlaufend in körperlichem Kontakt mit der Filamentkernfaser.The fact that the outer shell of the plastic filament is transparent to the laser beam means that the outer shell essentially does not absorb any radiated energy from the laser beam. The outer shell therefore consists of a material that is not absorbent for the wavelength of the laser beam. The outer sheath is arranged coaxially to the filament core fiber and circumferentially in physical contact with the filament core fiber.

Die Vorrichtung zum additiven Fertigen von Bauteilen kann verschiedene optische Bauteile aufweisen, die zum Führen und/oder Beeinflussen des Laserstrahls eingerichtet sind. Die Lasereinrichtung richtet den Laserstrahl auf die Filamentkernfaser, so dass vorzugsweise die gesamte eingestrahlte Energie des Laserstrahls auf die Filamentkernfaser auftrifft.The device for additive manufacturing of components can have various optical components which are set up for guiding and / or influencing the laser beam. The laser device directs the laser beam onto the filament core fiber, so that preferably all of the radiated energy of the laser beam strikes the filament core fiber.

Mit dem erfindungsgemäßen System zum additiven Fertigen von Bauteilen können Bauteile unterschiedlichster Geometrie zügig hergestellt werden. Das System kann dabei für eine Heimanwendung oder eine industrielle Anwendung eingesetzt werden. Das System kann im Zuge einer Neuherstellung realisiert werden. Alternativ kann das System durch eine Nachrüstung eines herkömmlichen Systems bzw. deren Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Lasereinrichtung und einem erfindungsgemäßen Kunststofffilament realisiert werden.With the system according to the invention for additive manufacturing of components, components of the most varied of geometries can be manufactured quickly. The system can be used for a home application or an industrial application. The system can be implemented in the course of a new production. Alternatively, the system can be implemented by retrofitting a conventional system or its device with a laser device according to the invention and a plastic filament according to the invention.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Lasereinrichtung eingerichtet, einen hohlkreiszylinderförmigen Laserstrahl koaxial zu dem Kunststofffilament zu erzeugen, der einen gerade ausgebildeten Filamentabschnitt des Kunststofffilaments radial au-ßen beabstandet umschließt. Die Lasereinrichtung ist bevorzugt auch dazu eingerichtet, den hohlkreiszylinderförmigen Laserstrahl radial nach innen auf die Filamentkernfaser zu fokussieren. Hierdurch kann die Energie des Laserstrahls umlaufend und somit sehr homogen in die Filamentkernfaser eingeleitet werden, was die Erhitzung des Kunststofffilaments verbessert. Zum Fokussieren des Laserstrahls auf die Filamentkernfaser kann eine Sammellinse verwendet werden, die eine mittige Durchbrechung aufweist, durch die das Kunststofffilament hindurchgeführt werden kann.According to an advantageous embodiment, the laser device is set up to generate a hollow circular cylinder-shaped laser beam coaxially to the plastic filament, which surrounds a straight filament section of the plastic filament spaced radially on the outside. The laser device is preferably also set up to focus the hollow circular cylindrical laser beam radially inward on the filament core fiber. As a result, the energy of the laser beam can be introduced into the filament core fiber circumferentially and thus very homogeneously, which improves the heating of the plastic filament. To focus the laser beam on the filament core fiber, a converging lens can be used which has a central opening through which the plastic filament can be passed.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Lasereinrichtung eingerichtet ist, einen hohlkreiszylinderförmigen Ausgangslaserstrahl zu erzeugen, den Ausgangslaserstrahl in zwei halbkreisringförmige Teilstrahlen aufzuspalten, die beiden Teilstrahlen seitlich zu dem Filamentabschnitt anzuordnen und die beiden seitlich zu dem Filamentabschnitt angeordneten Teilstrahlen zur Ausbildung des hohlkreiszylinderförmigen Laserstrahls zusammenzuführen. Die Lasereinrichtung kann einen speziell geformten Reflektor aufweisen, der aus einem Laserstrahl einer Laserquelle der Lasereinrichtung den hohlkreiszylinderförmigen Ausgangslaserstrahl erzeugt. Der hohlkreiszylinderförmige Ausgangslaserstrahl kann nach einer Umlenkung an einem Reflektor, beispielsweise einem ebenen Spiegel, der Lasereinrichtung oder ohne eine solche Umlenkung einem Strahlteiler der Lasereinrichtung zugeführt werden, um mittels des Strahlteilers den Ausgangslaserstrahl in zwei halbkreisringförmige Teilstrahlen aufzuspalten. Durch diese Aufspaltung des Ausgangslaserstrahls und die Anordnung der beiden Teilstrahlen seitlich zu dem Filamentabschnitt kann der gerade Abschnitt des Kunststofffilaments in den hohlkreiszylinderförmigen Laserstrahl eingeführt werden, ohne dass der Laserstrahl schon vor der Fokussierung des Laserstrahls auf die Filamentkernfaser auf das Kunststofffilament trifft. Hierdurch wird verhindert, dass das Kunststofffilament schon vor der beabsichtigten Erhitzung mittels des Laserstrahls unkontrolliert erhitzt wird. Um die beiden Teilstrahlen seitlich zu dem Filamentabschnitt anzuordnen, können diese mittels eines Reflektors, insbesondere eines ebenen Spiegels, der Lasereinrichtung umgelenkt werden, so dass sie parallel zu dem Kunststofffilament verlaufen. Zum Zusammenführen der beiden seitlich zu dem Filamentabschnitt angeordneten Teilstrahlen zur Ausbildung des hohlkreiszylinderförmigen Laserstrahls kann die Lasereinrichtung einen Strahlenfusionierer aufweisen.A further advantageous embodiment provides that the laser device is set up to generate a hollow circular cylinder-shaped output laser beam, to split the output laser beam into two semicircular ring-shaped partial beams, to arrange the two partial beams to the side of the filament section and to merge the two partial beams arranged to the side of the filament section to form the hollow circular cylindrical laser beam . The laser device can have a specially shaped reflector which generates the hollow circular cylindrical output laser beam from a laser beam from a laser source of the laser device. The hollow circular cylindrical output laser beam can be fed to the laser device after a deflection at a reflector, for example a flat mirror, or, without such a deflection, to a beam splitter of the laser device in order to split the output laser beam into two semicircular partial beams by means of the beam splitter. Due to this splitting of the output laser beam and the arrangement of the two partial beams laterally to the filament section, the straight section of the plastic filament can be introduced into the hollow circular cylinder-shaped laser beam without the laser beam striking the plastic filament before the laser beam is focused on the filament core fiber. This prevents the plastic filament from being heated in an uncontrolled manner before the intended heating by means of the laser beam. In order to arrange the two partial beams laterally to the filament section, these can be deflected by means of a reflector, in particular a flat mirror, of the laser device, so that they run parallel to the plastic filament. The laser device can have a beam fuser to bring the two partial beams arranged laterally to the filament section together to form the hollow circular cylindrical laser beam.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Lasereinrichtung wenigstens einen Diodenlaser auf. Hierdurch kann die Lasereinrichtung kostengünstig realisiert werden. Zugleich ist die Strahlungsenergie eines Diodenlasers für den Anwendungszweck der vorliegenden Erfindung ausreichend.According to a further advantageous embodiment, the laser device has at least one diode laser. As a result, the laser device can be implemented cost-effectively. At the same time, the radiation energy of a diode laser is sufficient for the purpose of the present invention.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Lasereinrichtung eingerichtet, den Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 800 nm zu erzeugen. Die Wellenlänge des Laserstrahls kann in Abhängigkeit der Eigenschaften des Kunststofffilaments festgelegt werden und somit bei Bedarf von 800 nm abweichen.According to a further advantageous embodiment, the laser device is set up to generate the laser beam with a wavelength of 800 nm. The wavelength of the laser beam can be determined depending on the properties of the plastic filament and thus deviate from 800 nm if necessary.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Filamentkernfaser zumindest teilweise aus Ruß hergestellt ist. Hierdurch kann die Filamentkernfaser sehr gut die Energie des Laserstrahls absorbieren.Another advantageous embodiment provides that the filament core fiber is made at least partially from carbon black. This allows the filament core fiber to absorb the energy of the laser beam very well.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung eingerichtet, das mittels der Lasereinrichtung erhitzte Kunststofffilament von außen mittels eines elektrischen Heizelements zu erhitzen. Hierdurch kann die Temperatur des Kunststofffilaments eingestellt und homogenisiert werden. Das Kunststofffilament wird bevorzugt nicht allein mittels des Laserstrahls erhitzt, was zu einem Verschmieren und/oder Verunreinigen von optischen Bauteilen der Lasereinrichtung führen könnte. Als elektrischen Heizelement kann ein Heizelement eines herkömmlichen Druckkopfs verwendet werden.According to a further advantageous embodiment, the device is set up to heat the plastic filament heated by the laser device from the outside by means of an electrical heating element. This allows the temperature of the plastic filament to be set and homogenized. The plastic filament is preferably not heated solely by means of the laser beam, which could lead to smearing and / or contamination of optical components of the laser device. A heating element of a conventional print head can be used as the electrical heating element.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt

  • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes System,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Details des in 1 gezeigten Systems,
  • 3 eine schematische und perspektivische Darstellung des in den 1 und 2 gezeigten Reflektors,
  • 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Details des in 1 gezeigten Systems,
  • 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Details des in 1 gezeigten Systems,
  • 6 eine schematische Darstellung eines weiteren Details des in 1 gezeigten Systems und
  • 7 eine schematische und perspektivische Darstellung der in 1 gezeigten Lasereinrichtung.
Further advantageous embodiments of the invention are disclosed in the subclaims and the following description of the figures. It shows
  • 1 a schematic representation of an embodiment for a system according to the invention,
  • 2 a schematic representation of a detail of the in 1 shown system,
  • 3 a schematic and perspective illustration of the in the 1 and 2 shown reflector,
  • 4th a schematic representation of a further detail of the in 1 shown system,
  • 5 a schematic representation of a further detail of the in 1 shown system,
  • 6th a schematic representation of a further detail of the in 1 shown system and
  • 7th a schematic and perspective illustration of the in 1 shown laser device.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.In the different figures, the same parts are always provided with the same reference numerals, which is why they are usually only described once.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes System 1 zum additiven Fertigen von Bauteilen. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment for a system according to the invention 1 for additive manufacturing of components.

Das System 1 weist eine Vorrichtung 2 zum additiven Fertigen von Bauteilen und ein mit der Vorrichtung 2 verarbeitbares Kunststofffilament 3 auf. Die Vorrichtung 2 weist eine Lasereinrichtung 4 auf, mit der ein Laserstrahl 5 erzeugbar ist.The system 1 has a device 2 for additive manufacturing of components and one with the device 2 processable plastic filament 3 on. The device 2 has a laser device 4th on with a laser beam 5 can be generated.

Das Kunststofffilament 3 weist eine für den Laserstrahl 5 nicht transparente Filamentkernfaser 6 und eine für den Laserstrahl 5 transparente, die Filamentkernfaser 6 radial außen umschließende Außenhülle 7 auf. Die Filamentkernfaser 6 iweist zumindest teilweise z.B. Ruß auf, so dass die Filamentkernfaser 6 nicht transparent ist.The plastic filament 3 has one for the laser beam 5 non-transparent filament core fiber 6th and one for the laser beam 5 transparent, the filament core fiber 6th outer shell enclosing radially on the outside 7th on. The filament core fiber 6th i has at least partially carbon black, for example, so that the filament core fiber 6th is not transparent.

Die Lasereinrichtung 4 erzeugt den Laserstrahl 5 derart, dass der Laserstrahl 5 auf die Filamentkernfaser 6 gerichtet bzw. fokussiert ist. Hierzu ist die Lasereinrichtung 4 eingerichtet, den Laserstrahl 5 koaxial zu dem Kunststofffilament 3 zu erzeugen, so dass der Laserstrahl 5 einen gerade ausgebildeten Filamentabschnitt 9 des Kunststofffilaments 3 radial außen beabstandet umschließt.The laser device 4th generates the laser beam 5 such that the laser beam 5 on the filament core fiber 6th is directed or focused. The laser device is for this purpose 4th set up the laser beam 5 coaxial with the plastic filament 3 to generate so that the laser beam 5 a section of filament that has just been formed 9 of the plastic filament 3 encloses spaced radially on the outside.

Zu diesem Zweck ist die Lasereinrichtung 4 eingerichtet, einen hohlkreiszylinderförmigen Ausgangslaserstrahl 10 zu erzeugen, den Ausgangslaserstrahl 10 in zwei in den 4, 5 und 7 gezeigte halbkreisringförmige Teilstrahlen aufzuspalten, die beiden Teilstrahlen seitlich zu dem Filamentabschnitt 9 anzuordnen, die beiden seitlich zu dem Filamentabschnitt 9 angeordneten Teilstrahlen zur Ausbildung des hohlkreiszylinderförmigen Laserstrahls 5 zusammenzuführen und den hohlkreiszylinderförmigen Laserstrahl 5 radial nach innen auf die Filamentkernfaser 6 zu fokussieren.The laser device is for this purpose 4th set up a hollow circular cylindrical output laser beam 10 to generate the output laser beam 10 in two in the 4th , 5 and 7th Split the semi-circular ring-shaped partial beams shown, the two partial beams laterally to the filament section 9 to arrange the two side to the filament section 9 arranged partial beams to form the hollow circular cylindrical laser beam 5 merge and the hollow circular cylindrical laser beam 5 radially inward onto the filament core fiber 6th to focus.

Die Lasereinrichtung 4 weist einen Diodenlaser 11 auf. Die Lasereinrichtung 4 bzw. der Diodenlaser 11 ist eingerichtet, einen Laserstrahl 12 mit einer Wellenlänge von z.B. 800 nm zu erzeugen. Der von dem Diodenlaser 11 ausgehende Laserstrahl 12 durchläuft einen halbdurchlässigen Spiegel 13 der Lasereinrichtung 4 und trifft danach auf einen Reflektor 14 der Lasereinrichtung 4 auf. Der Reflektor 14 weist eine spezielle Reflexionsoberfläche 15 auf, die insbesondere in 3 gezeigt ist. Durch die Formgebung der Reflexionsoberfläche 15 reflektiert der Reflektor 14 den hohlkreiszylinderförmigen Ausgangslaserstrahl 10, der an dem halbdurchlässigen Spiegel 13 reflektiert und somit in Richtung eines Strahlteilers 16 der Lasereinrichtung 4 umgelenkt wird. Der Strahlteiler 16 spaltet den Ausgangslaserstrahl 10 in die beiden halbkreisringförmigen Teilstrahlen auf, die anschließend mittels eines Spiegels 17 der Lasereinrichtung 4 reflektiert und hierdurch zu einer Längsrichtung des Kunststofffilaments 3 und in Richtung eines Strahlenfusionierers 18 der Lasereinrichtung 4 umgelenkt werden. Hierdurch werden die beiden Teilstrahlen seitlich zu dem Filamentabschnitt 8 angeordnet. Mittels des Strahlenfusionierers 18 werden die beiden seitlich zu dem Filamentabschnitt 8 angeordneten Teilstrahlen zur Ausbildung des hohlkreiszylinderförmigen Laserstrahls 5 zusammengeführt. Der hohlkreiszylinderförmige Laserstrahl 5 wird zuletzt mittels einer Sammellinse 19 der Lasereinrichtung 4 auf die Filamentkernfaser 6 fokussiert, an der eine mittige Durchbrechung 36 ausgebildet ist, durch die das Kunststofffilament 3 hindurchgeführt ist.The laser device 4th has a diode laser 11th on. The laser device 4th or the diode laser 11th is set up a laser beam 12th with a wavelength of, for example, 800 nm. The one from the diode laser 11th outgoing laser beam 12th goes through a semi-transparent mirror 13th the laser device 4th and then hits a reflector 14th the laser device 4th on. The reflector 14th has a special reflective surface 15th on, especially in 3 is shown. Through the shape of the reflective surface 15th reflects the reflector 14th the hollow circular cylindrical output laser beam 10 that on the semi-transparent mirror 13th reflected and thus in the direction of a beam splitter 16 the laser device 4th is diverted. The beam splitter 16 splits the output laser beam 10 in the two semi-circular ring-shaped partial beams, which then by means of a mirror 17th the laser device 4th reflected and thereby to a longitudinal direction of the plastic filament 3 and in the direction of a beam fuser 18th the laser device 4th be redirected. As a result, the two partial beams are laterally to the filament section 8th arranged. By means of the radiation fuser 18th the two become laterally to the filament section 8th arranged partial beams to form the hollow circular cylindrical laser beam 5 merged. The hollow circular cylindrical laser beam 5 is last by means of a converging lens 19th the laser device 4th on the filament core fiber 6th focused, at which a central breakthrough 36 is formed through which the plastic filament 3 is passed through.

Die Vorrichtung 2 ist zudem eingerichtet, das mittels der Lasereinrichtung 4 erhitzte Kunststofffilament 3 von außen mittels eines elektrischen Heizelements 20 der Vorrichtung 2 zu erhitzen, das einen Teil des Kunststofffilaments 3 ringförmig umgibt. Das zusätzlich mittels des Heizelements 20 erhitzte Kunststofffilament 3 wird einer Düse 21 der Vorrichtung 2 zugeführt und ist mittels dieser aus der Vorrichtung 2 ausbringbar.The device 2 is also set up by means of the laser device 4th heated plastic filament 3 from the outside by means of an electrical heating element 20th the device 2 to heat that part of the plastic filament 3 surrounds annularly. In addition, by means of the heating element 20th heated plastic filament 3 becomes a nozzle 21 the device 2 fed and is by means of this out of the device 2 spreadable.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Details des in 1 gezeigten Systems 1. Es sind der halbdurchlässige Spiegel 13 und der Reflektor 14 der Lasereinrichtung 4 gezeigt. Zudem sind Querschnitte 22 und 23 der Laserstrahlen 12 bzw. 10 gezeigt, wodurch erkennbar ist, dass der von dem Reflektor 14 reflektierte Laserstrahl 10 hohlkreiszylinderförmig ausgebildet ist. 2 shows a schematic representation of a detail of the in 1 shown system 1 . It's the semi-transparent mirror 13th and the reflector 14th the laser device 4th shown. There are also cross-sections 22nd and 23 of the laser beams 12th respectively. 10 shown, whereby it can be seen that the from the reflector 14th reflected laser beam 10 Is formed as a hollow circular cylinder.

3 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung des in den 1 und 2 gezeigten Reflektors 14. Die Reflexionsoberfläche 15 des Reflektors 14 ist rotationssymmetrisch ausgebildet. Insbesondere ist die Reflexionsoberfläche 15 derart ausgebildet, dass der einfallende Laserstrahl 12 derart an der Reflexionsoberfläche 15 reflektiert wird, dass der hohlkreiszylinderförmige Laserstrahl 10 entsteht. Diese Reflexion ist in 2 durch Pfeile angedeutet. Die Reflexionsoberfläche 15 ist als sich konisch verjüngende Vertiefung mit einem mittig angeordneten, sich gegenläufig zu der Vertiefung verjüngenden Kegel ausgebildet. 3 FIG. 11 shows a schematic and perspective illustration of the FIG 1 and 2 shown reflector 14th . The reflection surface 15th of the reflector 14th is designed to be rotationally symmetrical. In particular is the reflective surface 15th designed in such a way that the incident laser beam 12th such at the reflection surface 15th is reflected that the hollow circular cylindrical laser beam 10 arises. This reflection is in 2 indicated by arrows. The reflection surface 15th is designed as a conically tapering recess with a centrally arranged cone tapering in the opposite direction to the recess.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Details des in 1 gezeigten Systems 1. Es ist der Strahlteiler 16 der Lasereinrichtung 4 gezeigt. Zudem ist der Querschnitt 23 des Laserstrahls 10 gezeigt. Des Weiteren sind die halbhohlkreiszylinderförmigen Querschnitte 24 und 25 der mit dem Strahlteiler 16 erzeugten Teilstrahlen 26 bzw. 27 gezeigt. Der Strahlteiler 16 weist einen mittigen Strahlteilerspiegel 28 auf, mit dem der Laserstrahl 10 in die Teilstrahlen 26 und 27 aufgeteilt wird, wobei die Teilstrahlen 26 und 27 mittels schräg angestellten Spiegeln 29 bzw. 30 umgelenkt werden, um parallel zueinander zu verlaufen. 4th shows a schematic representation of a further detail of the in 1 shown system 1 . It's the beam splitter 16 the laser device 4th shown. In addition, the cross-section 23 of the laser beam 10 shown. Furthermore, the semicircular cylindrical cross-sections 24 and 25th the one with the beam splitter 16 generated partial beams 26th respectively. 27 shown. The beam splitter 16 has a central beam splitter mirror 28 with which the laser beam 10 in the partial beams 26th and 27 is divided, with the partial beams 26th and 27 by means of inclined mirrors 29 respectively. 30th be redirected to run parallel to each other.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Details des in 1 gezeigten Systems 1. Es ist der Strahlenfusionierer 18 der Lasereinrichtung 4 gezeigt. Zudem ist ein Querschnitt 31 des mittels des Strahlenfusionierers 18 erzeugten hohlkreiszylinderförmigen Laserstrahls 5 gezeigt. Der Strahlenfusionierer 18 weist zwei schräg angestellte, beabstandet voneinander angeordnete Spiegel 32 und 33 auf, an denen die Teilstrahlen 26 bzw. 27 reflektiert werden, um in Richtung eines mittigen Spiegels 34 des Strahlenfusionierers 18 umgelenkt zu werden. An dem mittigen Spiegel 34 werden die Teilstrahlen 26 und 27 reflektiert und hierdurch derart umgelenkt, dass die parallel zueinander verlaufen und den hohlkreiszylinderförmigen Laserstrahl 5 bilden. Der mittige Spiegel 34 weist eine mittige Durchbrechung 35 auf, durch die das Kunststofffilament 3 hindurchgeführt ist. 5 shows a schematic representation of a further detail of the in 1 shown system 1 . It's the radiation fuser 18th the laser device 4th shown. There is also a cross section 31 by means of the radiation fuser 18th generated hollow circular cylindrical laser beam 5 shown. The radiation fuser 18th has two inclined, spaced apart mirrors 32 and 33 on where the partial beams 26th respectively. 27 be reflected to towards a central mirror 34 of the radiation fuser 18th to be diverted. On the central mirror 34 are the partial beams 26th and 27 reflected and thereby deflected in such a way that the parallel to each other and the hollow circular cylindrical laser beam 5 form. The central mirror 34 has a central opening 35 on through which the plastic filament 3 is passed through.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Details des in 1 gezeigten Systems 1. Es ist die Sammellinse 19 der Lasereinrichtung 4 gezeigt. Zudem ist gezeigt, wie der Laserstrahl 5 mittels der Sammellinse 19 auf die Filamentkernfaser 6 des Kunststofffilaments 3 fokussiert wird. 6th shows a schematic representation of a further detail of the in 1 shown system 1 . It's the converging lens 19th the laser device 4th shown. It is also shown how the laser beam 5 by means of the converging lens 19th on the filament core fiber 6th of the plastic filament 3 is focused.

7 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung der in 1 gezeigten Lasereinrichtung 4. 7 zeigt noch einmal die Behandlung des von dem Diodenlaser 11 erzeugten Laserstrahls 12 mittels der Lasereinrichtung 4, um dem hohlkreiszylinderförmigen Laserstrahl 5 zu erzeugen und diesen auf die Filamentkernfaser 6 des Kunststofffilaments 3 zu fokussieren. Dabei wird das Kunststofffilament 3 entsprechend dem Pfeil 8 bewegt, um ein nicht gezeigtes Bauteil herstellen zu können. 7th FIG. 11 shows a schematic and perspective illustration of the FIG 1 shown laser device 4th . 7th shows once again the treatment of the diode laser 11th generated laser beam 12th by means of the laser device 4th to the hollow circular cylindrical laser beam 5 and this onto the filament core fiber 6th of the plastic filament 3 to focus. This is where the plastic filament 3 according to the arrow 8th moved in order to be able to produce a component (not shown).

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Systemsystem
22
Vorrichtungcontraption
33
KunststofffilamentPlastic filament
44th
LasereinrichtungLaser device
55
hohlkreiszylinderförmiger Laserstrahlhollow circular cylindrical laser beam
66th
Filamentkernfaser von 3Filament core fiber of 3
77th
Außenhülle von 3Outer shell of 3
88th
Pfeil (Bewegungsrichtung von 3)Arrow (direction of movement of 3)
99
gerader Filamentabschnitt von 3straight filament section of 3
1010
hohlkreiszylinderförmiger Ausgangslaserstrahlhollow circular cylindrical output laser beam
1111
DiodenlaserDiode laser
1212th
Laserstrahllaser beam
1313th
halbdurchlässiger Spiegelsemi-transparent mirror
1414th
Reflektorreflector
1515th
Reflexionsoberfläche von 14Reflective surface of 14
1616
StrahlteilerBeam splitter
1717th
Spiegelmirrors
1818th
StrahlenfusioniererRadiation fusers
1919th
SammellinseConverging lens
2020th
HeizelementHeating element
2121
Düsejet
2222nd
Querschnitt von 12Cross section of 12
2323
Querschnitt von 10Cross section of 10
2424
Querschnitt von 26Cross section of 26
2525th
Querschnitt von 27Cross section of 27
2626th
TeilstrahlPartial beam
2727
TeilstrahlPartial beam
2828
Spiegel von 16Mirror from 16
2929
Spiegel von 16Mirror from 16
3030th
Spiegel von 16Mirror from 16
3131
Querschnitt von 5Cross section of 5
3232
Spiegel von 18Mirror from 18
3333
Spiegel von 18Mirror from 18
3434
Spiegel von 18Mirror from 18
3535
Durchbrechung an 34Breakthrough at 34
3636
Durchbrechung an 19Breakthrough on 19

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102016006247 A1 [0006]DE 102016006247 A1 [0006]
  • US 2019/0366480 A1 [0008]US 2019/0366480 A1 [0008]
  • CN 207028180 U [0009]CN 207028180 U [0009]

Claims (7)

System (1) zum additiven Fertigen von Bauteilen, aufweisend wenigstens eine Vorrichtung (2) zum additiven Fertigen von Bauteilen und wenigstens ein mit der Vorrichtung (2) verarbeitbares Kunststofffilament (3), wobei die Vorrichtung (2) wenigstens eine Lasereinrichtung (4) aufweist, mit der ein Laserstrahl (5) erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststofffilament (3) eine für den Laserstrahl (5) nicht transparente Filamentkernfaser (6) und eine für den Laserstrahl (5) transparente, die Filamentkernfaser (6) radial außen umschließende Außenhülle (7) aufweist, wobei die Lasereinrichtung (4) den Laserstrahl (5) derart erzeugt, dass der Laserstrahl (5) auf die Filamentkernfaser (6) fokussiert ist.System (1) for additive manufacturing of components, comprising at least one device (2) for additive manufacturing of components and at least one plastic filament (3) that can be processed with the device (2), the device (2) having at least one laser device (4) , with which a laser beam (5) can be generated, characterized in that the plastic filament (3) has a filament core fiber (6) that is not transparent for the laser beam (5) and one that is transparent for the laser beam (5), the filament core fiber (6) radially on the outside enclosing outer sheath (7), the laser device (4) generating the laser beam (5) in such a way that the laser beam (5) is focused on the filament core fiber (6). System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (4) eingerichtet ist, einen hohlkreiszylinderförmigen Laserstrahl (5) koaxial zu dem Kunststofffilament (3) zu erzeugen, der einen gerade ausgebildeten Filamentabschnitt (9) des Kunststofffilaments (3) radial außen beabstandet umschließt, wobei die Lasereinrichtung (4) zudem eingerichtet ist den hohlkreiszylinderförmigen Laserstrahl (5) radial nach innen auf die Filamentkernfaser (6) zu fokussieren.System (1) according to Claim 1 , characterized in that the laser device (4) is set up to generate a hollow circular cylindrical laser beam (5) coaxially to the plastic filament (3), which surrounds a straight filament section (9) of the plastic filament (3) spaced radially on the outside, the laser device (4) The hollow circular cylinder-shaped laser beam (5) is also set up to focus radially inward on the filament core fiber (6). System (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (4) eingerichtet ist, einen hohlkreiszylinderförmigen Ausgangslaserstrahl (10) zu erzeugen, den Ausgangslaserstrahl (10) in zwei halbkreisringförmige Teilstrahlen (26, 27) aufzuspalten, die beiden Teilstrahlen (26, 27) seitlich zu dem Filamentabschnitt (9) anzuordnen und die beiden seitlich zu dem Filamentabschnitt (9) angeordneten Teilstrahlen (26, 27) zur Ausbildung des hohlkreiszylinderförmigen Laserstrahls (5) zusammenzuführen.System (1) according to Claim 2 , characterized in that the laser device (4) is set up to generate a hollow circular cylinder-shaped output laser beam (10), to split the output laser beam (10) into two semicircular partial beams (26, 27), the two partial beams (26, 27) laterally to the filament section (9) and to bring the two partial beams (26, 27) arranged laterally to the filament section (9) together to form the hollow circular cylindrical laser beam (5). System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (4) wenigstens einen Diodenlaser (11) aufweist.System (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the laser device (4) has at least one diode laser (11). System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (4) eingerichtet ist, den Laserstrahl (5) mit einer Wellenlänge von 800 nm zu erzeugen.System (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the laser device (4) is set up to generate the laser beam (5) with a wavelength of 800 nm. System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamentkernfaser (6) zumindest teilweise aus Ruß hergestellt ist.System (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the filament core fiber (6) is made at least partially from carbon black. System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) eingerichtet ist, das mittels der Lasereinrichtung (4) erhitzte Kunststofffilament (3) von außen mittels eines elektrischen Heizelements (20) zu erhitzen.System (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the device (2) is set up to heat the plastic filament (3) heated by the laser device (4) from the outside by means of an electrical heating element (20).
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Citations (3)

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CN207028180U (en) 2017-04-14 2018-02-23 华南理工大学 A kind of multichannel wire feed lf deposits LFDM shaped devices
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