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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düse für einen Druckkopf eines 3D-Druckers. Ferner betrifft die Erfindung einen Druckkopf für einen 3D-Drucker. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines 3D-Druck-Bauteils vorgesehen.
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Die Erfindung findet im Idealfall dort Anwendung, wo ein Extrudat in einer schichtartigen Weise aufgetragen wird und somit ein physikalisches Produkt, also ein 3D-Druck-Bauteil, hergestellt werden kann. Im Sinne dieser Anmeldung wird demnach als Extrudat der ausgeschmolzene und extrudierte und demnach 3D-gedruckte Teil des aufgetragenen Materials, insbesondere eines Kunststoffs, bezeichnet. Dabei liegt der Fokus der vorliegenden Erfindung auf der Verbesserung der eigentlichen Extrusion.
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Charakteristik des bekannten Stands der Technik
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Bei einem bisher bekannten Verfahren zur Herstellung von 3D-Druck-Bauteilen, nämlich dem sogenannten Fused Filament Fabrication (FFF)-Verfahren, ist der Ansatz, aus bestimmten Materialien (z.B. aus Kunststoff) Schicht für Schicht ein Produkt, also das 3D-Druck-Bauteil, herzustellen. Beim FFF-Verfahren wird üblicherweise ein Druckkopf an alle gewünschten Stellen einer meist beheizten Druckplattform bewegt, um dort jeweils das Extrudat abzulegen und Schritt für Schritt das 3D-Druck-Bauteil herzustellen. Diese Bewegungen des Druckkopfes werden durch drei Motoren ermöglicht, die entweder den Druckkopf oder Teile des Aufbaus in die gewünschte Richtung des Druckkopfes bewegen. Entsprechend ist die jeweilige Motoreinheit zur Fortbewegung des Druckkopfes in einer Vorschubrichtung des Druckkopfes eingerichtet. Durch einen weiteren Motor kann das Kunststofffilament nach vorne zum Druckkopf gefördert werden, wo es erhitzt und zum Schmelzen gebracht wird. Anschließend wird es als Extrudat aus der Öffnung der runden Durchlassbohrung der Düse des Druckkopfes gepresst und auf eine Oberfläche abgelegt.
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Das Produkt bzw. 3D-Druck-Bauteil entsteht dadurch, dass der Druckkopf verschiedene Schichten eines Kunststoffes aufeinandersetzt und diese untereinander verschmelzen. Nachteilig daran ist, dass selbst nach der Fertigstellung des 3D-Druck-Bauteiles das 3D-Druck-Herstellungsverfahren anhand der einzelnen Schichten erkennbar ist. So sind die Übergange zwischen den einzelnen Schichten regelmäßig sehr deutlich zu erkennen. Dieses Problem der Schichtenbildung beeinflusst die optisch wahrgenommene, aber auch die tatsächliche Oberflächenbeschaffenheit eines Bauteils negativ.
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So ruft die schichtenartige Erscheinung eine raue Oberfläche durch die Schichtenübergänge hervor, welche nicht nur für den Endverbraucher einen optischen Mangel darstellt, sondern auch die Funktionalität, beispielsweise durch erhöhte Reibung an den Oberflächen anzuschließender, mechanischer Komponenten, einschränken kann. Um solche Schichtenübergänge nachträglich zu minimieren, werden heutzutage überwiegend sogenannte kurative Bearbeitungstechniken benutzt. Solche Korrekturmaßnahmen können bisher meist nur per Hand durchgeführt werden und beanspruchen ein hohes Maß an Fachkönnen, Zeit und Kosten.
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Demnach liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die angesprochenen Nachteile des Standes der Technik zu reduzieren. Demnach sollten die negativen Auswirkungen der Schichtenbildung reduziert werden. Nach Möglichkeit sollte der Herstellungsaufwand für 3D-Druck-Bauteile reduziert, und konkret insbesondere die Notwendigkeit händische Maßnahmen, die Herstellungszeit und schließlich auch die Herstellungskosten reduziert werden.
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Lösung gemäß vorliegender Erfindung
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Die Aufgabe wird durch eine Düse für einen Druckkopf mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch einen Druckkopf für einen 3D-Drucker mit den Merkmalen von Anspruch 5 gelöst. Schließlich ist die Aufgabe durch einen 3D-Drucker mit den Merkmalen nach Anspruch 7 gelöst. Gemäß einem weiteren, unabhängigen Aspekt dieser Erfindung ist die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst.
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Wesentlich ist an der vorliegenden Erfindung, dass das bisherige Fused Filament Fabrication (FFF)-Verfahren effizient angepasst wird. Dabei wird die Düse des Druckkopfes an ihrem Auslass bzw. ihrer Spitze gezielt mit einem Einschnitt versehen. Zudem wird eine Rotation der Düse ermöglicht. Durch den Einschnitt in der Spitze der Düse lassen sich gezielt Formen der abgelegten bzw. ausgedruckten Materialschichten erstellen, die eine verbesserte Oberfläche des hergestellten Produkts in Form des gewünschten 3D-Druck-Bauteils entstehen lassen können. Es wird erfolgreich vermieden, dass es zu einer ausgeprägten Schichtenbildung kommt.
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Durch die vorschlagsgemäße Düse bzw. den vorschlagsgemäßen Druckkopf bzw. das vorschlagsgemäße Herstellungsverfahren tragen im Wesentlichen die beiden folgenden Maßnahmen zur Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit bei: Erstens, die Nivellierung der gedruckten Oberfläche über ein Verfahren des Druckkopfes und, zweitens, eine Extrusions-Formgebung beim 3D-Druck selbst durch eine gezielte Formgebung des abgelegten Extrudats über die Geometrie der Spitze der Düse des Druckkopfes.
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Das Extrudat wird durch die besondere Geometrie der Düse schon innerhalb des Endbereichs der Düse vor dem Auslaufen aus dem gesamten Druckkopf und vor dem Ablegen zu der gewünschten Form vorgeformt und sodann erst auf der Druckplattform bzw. einer bereits aufgetragenen Druckschicht abgelegt. Dadurch können nach Ablegen und Verschmelzen mehrerer Schichten des 3D-Druck-Bauteils miteinander eine glattere physikalische Oberflächenbeschaffenheit erzielt werden, ohne dass eine Nachbearbeitung des 3D-Druck-Bauteiles unbedingt notwendig ist. Überwiegend ist das Verfahren für die Minimierung der sichtbaren Fertigungsspuren entwickelt worden, kann jedoch auch die interne Stabilität und die Dichte eines Produktes erhöhen. Auf besonders vorteilhafte Weise werden die Luftzwischenräume zwischen den Schichten der einzelnen Druckstränge bzw. - bahnen minimiert.
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Die weiteren Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen ersichtlich, wobei die Zeichnung lediglich der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung dienende Ausführungsformen zeigt. Dabei zeigt:
- 1 eine perspektivische, schematische Einsicht in die Spitze einer vorschlagsgemäßen Düse für einen Druckkopf zur Verwendung im vorschlagsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines 3D-Druck-Bauteils;
- 2 eine schematische Schnittansicht der Spitze der Düse aus 1;
- 3 einen gesamten vorschlagsgemäßen Druckkopf mit anschließenden Komponenten in einer perspektivischen Ansicht;
- 4 eine Schnittansicht eines Druckkopfes wie grundsätzlich in 3 dargestellt;
- 5 eine weitere perspektivische, schematische Ansicht eines Druckkopfes von schräg unten;
- 6 eine Teilansicht einer vorschlagsgemäßen Düse eines Druckkopfes während eines Herstellungsprozesses eines 3D-Druck-Bauteils beim Ablegen eines Druckstrangs;
- 7 die vorschlagsgemäße Düse wie in 6, dieses Mal in einem an den Ablege-Schritt eines Druckstrangs anschließenden Nivellierungs-Schritt;
- 8 drei übereinanderliegende Schichten eines mittels der vorschlagsgemäßen Düse 3D-geduckten Bauteils; und
- 9 drei übereinanderliegende Schichten eines gemäß Stand der Technik 3D-geduckten Bauteils.
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Eine Spitze einer vorschlagsgemäßen Düse für einen Druckkopf zum 3D-Drucken ist in 1 dargestellt. Die Spitze weist folgende Merkmale auf: die Durchlassbohrung 3 für den Filament-Nachschub und das Flachstück 1 für die Nivellierung abgelegter Druckstränge, beispielsweise des 3D-gedruckten Kunststoffmaterials. Hinzu kommt ein seitlicher trapezförmiger Einschnitt 4, der durch die abgeschrägten inneren Seitenwände definiert wird. Die abgeschrägten inneren Seitenwände sind um einen Winkel 5 abgeschrägt, was aus 2 ersichtlich ist. Der trapezförmige Einschnitt 4 ist nach unten hin offen und verläuft mit zunehmender Breite nach oben. Der trapezförmige Einschnitt 4 ist also in Auslassrichtung des abzulegenden Druckstrangs bzw. allgemein des Extrudats verjüngt. Zudem besitzt die dargestellte Düse parallel zum trapezförmigen Einschnitt 4 auch abgeschrägte äußere Seitenwände 2, die die Funktion einer parallelen Führung des Kunststoffes bei einer Nivellierung haben. Unter parallel ist hierbei nicht beschränkend zu verstehen, dass die Abschrägung bzw. der Winkel der abgeschrägten inneren Seitenwände des trapezförmigen Einschnitts 4 sowie der abgeschrägten äußeren Seitenwände 2 komplett identisch parallel verlaufen. Vielmehr ist darunter eine Abschrägung entsprechend einer gleichen bzw. ähnlichen Ausrichtung zu verstehen, wie 1 und 2 in einer Zusammenschau erkennen lassen.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht der Spitze der Düse aus 1, wobei hier erkennbar wird, dass die Durchlassbohrung 3 den Durchmesser der Basis des trapezförmigen Einschnittes 4 hat. Die schematische Sicht des Einschnitts 4 ähnelt einem umgekehrten Trapez. Die breitere Basiskante des entsprechenden Trapezes ist also oberhalb - in einer Blickrichtung entsprechende der Auslassrichtung des abzulegenden Extrudats - und die kürzere Kante unterhalb angeordnet. Der Winkel 5 bestimmt die Steigung des nach unten gerichteten und geöffneten trapezförmigen Einschnitts 4. Die abgeschrägten äußeren Seitenwände 2 sind an der Vertikalachse A-A gespiegelt. Die Vertikalachse A-A ist ebenfalls der Spiegelschnitt des trapezförmigen Einschnittes 4 und der Durchlassbohrung 3. Die gesamte Spitze der Düse ist somit an der Vertikalachse A-A symmetrisch gespiegelt.
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Der grundsätzliche Extruderaufbau bzw. Aufbau des gesamten Druckkopfes mit anschließenden Komponenten ist in 3 dargestellt. In 4 ist eine entsprechende Schnittansicht des Aufbaus dargestellt, sodass sich die nachfolgende Beschreibung auf beide 3 und 4 bezieht.
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Der Aufbau des Druckkopfes ist so gestaltet, dass ein seitlicher Antriebsmotor 8 über eine Umlenkrolle 12 an der Motorwelle einen hitzebeständigen Antriebsriemen 9 antreibt. Der Antriebsriemen 9 wiederum treibt an der der Umlenkrolle 12 abgewandten Seite eine Düsenfassung bzw. Umlenkrolle 11 an. Die Düsenfassung bzw. Umlenkrolle 11 stellt also die Gegenrolle zur an der Motorenwelle anschließenden Umlenkrolle 12 dar.
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Die Düse 10 ist schraubbar an der Düsenfassung bzw. Umlenkrolle 11 befestigt. Dementsprechend dreht sich die Düse 10, wenn eine Bewegung von der Düsenfassung bzw. Umlenkrolle 11, hervorgerufen durch die an der Motorwelle befestigte Umlenkrolle 12 bzw. durch den Motor 8 und weitergeleitet durch den Antriebsriemen 9, ausgeht. Die vorschlagsgemäße Düse 10 ist demnach drehbar im Düsenkopf gelagert.
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Ferner weist der Druckkopf einen Heizkörper 7 sowie einen oberhalb des Heizkörpers 7 angeordneten Kühlkörper 6 auf. Der Kühlkörper 6 dient zur Kühlung des neu eingeführten Filaments, welches bei einem zu frühen Schmelzen die Zufuhr für weiteres Filament verhindern würde. Die Anordnung des Kühlkörpers 6 in Auslassrichtung des Materials gesehen vor der Düse 10 hat demnach den Vorteil, dass der Vorschub und Nachschub von zu druckendem Material gleichmäßig ablaufen kann.
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Die Düse 10 ist mit der Düsenfassung bzw. Umlenkrolle 11 schraubbar verbunden. Die Düsenfassung bzw. Umlenkrolle 11 ist drehbar im Heizblock 7 gelagert und kann durch den Antriebsriemen 9 bewegt werden.
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Ferner ist ein Führungszwischenstück 13 vorgesehen, welches auf der einen Seite, also in Auslassrichtung des Materials gesehen unten, in den Heizblock 7 und auf der gegenüberliegenden Seite, also in Auslassrichtung des Materials gesehen oben, in den Kühlkörper 6 eingeschraubt ist. Damit stellt das Führungszwischenstück 13 unter anderem die Heizbrücke zwischen dem Heizblock 7 und dem Kühlkörper 6 dar.
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Das Führungszwischenstück 13 stellt eine Materialstrom-Verbindung des Kunststoffflusses zwischen dem Kühlkörper 6 und dem drehbaren Abschnitt der vorschlagsgemäßen Düse 10 bereit.
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Die Düsenfassung bzw. Umlenkrolle 11, Teile des Führungszwischenstücks 13 und der Düse 10 werden vom Heizblock 7 erhitzt und bringen das Filament, beispielsweise aus Kunststoff, zum Schmelzen. Das Drehen der Düsenfassung bzw. Umlenkrolle 11 inkl. der Düse 10 ist selbst bei kontinuierlichem Materialfluss bzw. Kunststofffluss durch den Kühlkörper 6, das Führungszwischenstück 13 und die Düse 10 weiterhin gewährleistet. Ebenfalls ist ein Vorteil, dass die Düse 10 bei Versagen schraubbar ausgetauscht werden kann.
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Dieser dargestellte und beschriebene Aufbau des Extruders bzw. Druckkopfes kann an einem 3D-Drucker angebracht werden. Dabei ist der ganze Extruderaufbau bzw. Druckkopf in 5 dargestellt. Dieser ist durch folgende Funktionseinheiten gekennzeichnet: eine Motoreneinheit 15 zum Drehen der Düse 10, die vorschlagsgemäße Düse 10 selbst und die zusätzliche Druckkopf-Kühlungseinheit 14.
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Mit der drehbareren Düse 10 lassen sich zwei essentielle Operationen durchführen, die anhand der beiden 6 und 7, die jeweils eine vorschlagsgemäße Düse in einem Zustand während eines Materialauftrags also während des 3D-Druckens und konkret während einer Nivellierung (7) zeigen.
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Das Auftragen des Extrudats, also ein Drucken eines Druckstrangs, ist in 6 dargestellt. In 6 ist die Düse mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnet, es kann sich aber grundsätzlich um die vorbeschriebene Düse 10 handeln. Während des in 6 dargestellten Druckvorgangs wird der gesamte Druckkopf und somit auch die Düse 16 entlang des dargestellten Pfeils, also nach rechts hinten, fortbewegt. Insofern wird von einer Vorschubrichtung des Druckkopfes bzw. der Düse 16 gesprochen. Zu dieser Vorschubrichtung ist der trapezförmige Einschnitt 4 der Düse 16 parallel ausgerichtet. Dabei führt der Druckkopf die Düse 16 so, dass sich die Unterseite 1 der Düse annähernd auf der Ebene der unteren Schicht 18 bewegt und somit die vertikale Tiefe des Einschnittes 4 ungefähr die Höhe einer Ebene bestimmt.
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Die Düse 16 erwärmt das auszutragende Filament und bringt dieses zum Schmelzen. Der trapezförmige Einschnitt 4 drückt nun den aufgeschmolzenen Kunststoff aus der Öffnung in der Art, dass ein heißes vorgeformtes Extrudat 19 entsteht und auf der vorherigen bereits gedruckten unteren Schicht 18 abgelegt wird.
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Parameter zum Steuern dieses Druckvorgangs sind folgende: Damit das Extrudat die gewünschte Form erhält, werden die Parameter eines Druckes so angepasst, dass das Extrudat in der richtigen Zeit erhärtet, bzw. sich bis dahin noch verformt. Dies kann durch die Druckgeschwindigkeit, den Materialfluss, die Druckkopftemperatur und eine erhöhte externe Luftkühlung (vgl. 5) erreicht werden.
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Das auf die beschriebene Weise abgelegte, noch heiße vorgeformte Extrudat 19 nähert sich nun aufgrund der noch vorhandenen internen Wärme, von seiner trapezartigen Form, einer rechteckigen Form an. Dabei legen sich die einzelnen Ebenen des gesamten Druckbildes bzw. die einzelnen Schichten und konkret deren Querschnitte besser und dichter zusammen. Die gerade gedruckte oberste Schicht und die darunter liegende, bereits gedruckte untere Schicht 18 passen sich einander an, bilden folglich einen geringeren Übergang 20 der Schichten aus und haben eine größere Verbindungsfläche untereinander.
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Da der sich entlang der Vorschubrichtung fortbewegende Druckkopf bzw. dessen Düse 16 regelmäßig auch an einem bereits zuvor gedruckten und ausgehärteten Druckstrang bzw. Druckbahn vorbeifährt und dieser erhärtete Druckstrang (vorliegend als bereits gedruckte Seitenwand 17 bezeichnet und gekennzeichnet) mit der entsprechenden Seitenflächen der Düse 16 berührt wird, ist folgende Eigenschaft der Düse 16 besonders vorteilhaft: Die abgeschrägten äußeren Seitenwände 2 dienen vorteilhaft dazu, die bereits gedruckten Seitenwände 17 nicht zu beschädigen, während die späteren Druckbahnen gelegt werden.
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Der zweite Vorgang, welcher durch vorschlagsgemäße Durckkopf bzw. die Düse 10, 16 vorteilhaft verwirklicht werden kann, wird anhand der 7 erläutert, in welcher die Düse mit dem Bezugszeichen 21 gekennzeichnet wurde. Die Maßnahme kann als Nivellierung bezeichnet werdes. Die Operation besteht darin, den bereits gelegten Druck zu nivellieren, also zu begradigen und eine möglichst glatte Oberfläche des 3D-Druck-Bauteils bzw. des abgelegten Druckstrangs bereitzustellen. Dabei ist die Düse 21 gegenüber der vorherigen Stellung der Düse 16 in 6 um 90° gedreht worden. Nunmehr bewegt sich der Druckkopf bzw. die Düse 21 derart entlang der mit dem Pfeil gekennzeichneten Vorschubrichtung, dass der trapezförmige Einschnitt 4 zu dieser Vorschubrichtung der Düse 21 rechtwinklig ausgerichtet ist. Ferner verfährt die gesamte Düse 21 nur mit einem geringen Abstand über der bereits gedruckte, nicht nivellierte Oberfläche 22. Diese Nivellierung kann entweder mit nur einem geringen oder auch mit keinem Materialfluss an nachkommenden Druckmaterial durchgeführt werden. Dabei wird die abgeschrägte äußere Seitenwand 2 dazu benutzt, die nicht nivellierte Oberfläche 22 der zuvor gedruckten Druckstränge glatt zu streichen. Das Flachstück 1 des Druckkopfes bzw. der Düse, auf der Unterseite des Druckkopfes bzw. der Düse, formt den abgelegten, bereits gedruckten Kunststoff zu einer ebenen, glatten Oberfläche. Es entsteht entweder eine möglichst ebene Oberfläche 23 in Vorschubrichtung des Druckkopfes gesehen hinter der (erhitzten) Düse 21 durch das Glattstreichen der noch nicht nivellierten Oberfläche 22, welche durch die erhitzte Düse 21 erneut erhitzt bzw. angeschmolzen werden kann, oder auch bedingt durch den zusätzlichen, ergänzenden Auftrag einer dünnen Druckschicht durch einen geringen Materialfluss. Die beschriebene Nivellierung ist insbesondere vorteilhaft, wenn sie bei der zuletzt aufgetragenen Schicht angewandt wird, die die Außenoberfläche des 3D-Druck-Bauteils darstellt.
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Im Ergebnis lässt sich mithilfe der vorschlagsgemäßen Düse 10, 16, 21 und mit dem vorschlagsgemäßen Verfahren ein 3D-Druck-Bauteil mit erheblich verbesserten Oberflächeneigenschaften bei einem geringeren Aufwand herstellen, im Vergleich zum Verfahren des aktuellen Stands der Technik. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren als Erweiterung zum Fused Filament Fabrication (FFF)-Verfahren lassen sich gezielt geometrische Formen eines gewünschten Druckstrangs erzeugen und formen. Die Vorteile werden anhand von 8 deutlich. Dabei sind in 8 drei Schichten eines Ausschnitts eines erfindungsgemäß hergestellten einfachen 3D-Druck-Bauteils, vergleichend zu dem in 9 dargestellten Teil eines entsprechenden jedoch gemäß Stand der Technik hergestellten 3D-Druck-Bauteils, dargestellt.
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Bei der Methode des aktuellen Standes der Technik wird das Filament Schicht für Schicht aufgetragen. Dabei wird das Filament unkontrolliert extrudiert und es entstehen im Querschnitt gesehen eher ovalförmige Druckbahnen, wie dies 9 zu entnehmen ist.
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Mithilfe des vorgeschlagenen Verfahrens, welches als präventive Extrusionsformgebung bezeichnet wird, bei der mithilfe eines gezielten Einschnittes in der Düse des Druckkopfes gearbeitet wird, lassen sich jedoch, unter Berücksichtigung einer nachträglichen Verformung, bestimmte gewünschte Endformen kreieren und im Ergebnis die Oberflächenqualität des Endprodukts ohne aufwendige Nachbearbeitungsschritte erheblich verbessern.
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Durch einen umgedrehten trapezförmigen Einschnitt verformt sich der Kunststoff nach der eigentlichen Extrusion in der Art, dass der Druck nach Erstarren eine im Vergleich zur Oval-Form eher rechteckige Form annimmt. Ein Ausschnitt dieses vorteilhaften gemäß vorliegender Erfindung modifizierten Druckes kann der 8 entnommen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Flachstück der Düse
- 2.
- Abgeschrägte äußere Seitenwand
- 3.
- Durchlassbohrung
- 4.
- Trapezförmiger Einschnitt
- 5.
- Winkel der abgeschrägten inneren Seitenwand des trapezförmigen Einschnitts 4
- 6.
- Kühlkörper
- 7.
- Heizblock
- 8.
- Antriebsmotor
- 9.
- Antriebsriemen
- 10.
- Düse
- 11.
- Düsenfassung/Umlenkrolle der Düse 10
- 12.
- Umlenkrolle des Antriebsmotors
- 13.
- Führungszwischenstück
- 14.
- Druckkopf-Kühlungseinheit (Luftkühlung)
- 15.
- Motoreneinheit zum Drehen der Düse 10
- 16.
- Düse mit trapezförmigem Einschnitt parallel zur Vorschubrichtung des Druckkopfes bzw. der Düse ausgerichtet
- 17.
- Bereits gedruckte Seitenwand
- 18.
- Bereits gedruckte untere Schicht
- 19.
- Heißes vorgeformtes Extrudat
- 20.
- Geringer Übergang zwischen den einzelnen gedruckten Schichten
- 21.
- Düse mit trapezförmigem Einschnitt rechtwinklig zur Vorschubrichtung des Druckkopfes bzw. der Düse ausgerichtet
- 22.
- Nicht-nivelliertes Extrudat
- 23.
- Nivelliertes Extrudat
- A-A
- Vertikalachse durch die Spitze des Druckkopfes
