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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckbett für einen 3D-Drucker zum Drucken eines Hohlkörpers, wobei der 3D-Drucker mittels eines Druckkopfs ein schmelzfähiges Material in Form eines Filaments abgibt. Das Druckbett umfasst eine sich entlang einer Rotationsachse erstreckende Welle, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist und in einem Lager gelagert ist, sodass die Welle um ihre Rotationsachse herum drehbar ist.
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Ein derartiges Druckbett wird im Zusammenhang mit 3D-Druckern eingesetzt, um im Wesentlichen rotationssymmetrische und langgestreckte Hohlkörper zu erzeugen. Es hat sich herausgestellt, dass die Verwendung herkömmlicher 3D-Drucker mit einem im Wesentlichen horizontal ausgebildeten ebenen Druckbett nur wenig geeignet sind. Bei derartigen Druckern erfolgt der Druck des Hohlkörpers in vertikaler Richtung, wobei das schmelzfähige Material zunächst auf dem Druckbett aufgebracht wird und der zu erzeugende Körper dann schichtweise vertikal in die Höhe wächst. Insbesondere bei langgestreckten Hohlkörpern mit einem relativ geringen Durchmesser, wie es beispielsweise bei Schläuchen der Fall ist, neigen die herzustellenden Hohlkörper während des Herstellungsprozesses dazu umzuknicken, sich zu verbiegen oder sich anderweitig zu verformen.
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In der
DE 10 2021 103 402 wird ein rotationssymmetrisches Druckbett vorgeschlagen, mit dem ein herkömmlicher 3D-Drucker nachgerüstet werden kann. Das schmelzfähige Material wird in Form eines Filaments von dem Druckkopf des 3D-Druckers auf den oberen Teil der Mantelfläche des horizontal ausgerichteten rotationssymmetrischen Druckbetts aufgebracht. Durch Drehen des Druckbetts und Verfahren des Druckkopfs entlang vorgegebener Bewegungswege und angepasster Geschwindigkeiten lassen sich somit auf einfache Weise langgestreckte rotationssymmetrische Hohlkörper herstellen. Bei diesem Herstellungsverfahren und bei Verwendung eines derartigen rotationssymmetrischen Druckbetts ist ausgeschlossen, dass sich der herzustellende Hohlkörper während des Herstellungsprozesses verformt. Besonders geeignet ist ein derartiges Druckbett zum Herstellen von Schläuchen, Rohren und ähnlichen langgestreckten Hohlkörpern. Ebenso können mit diesem Druckbett auch Düsen hergestellt werden. Allerdings haben diese eine glatte Oberfläche, weil es nicht möglich ist, eine Strukturierung der Innenseite des herzustellenden Hohlkörpers zu erzeugen.
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Insbesondere bei der Herstellung von Düsen müssen gewünschte Strukturen zur Beeinflussung des Fließverhaltens im Nachhinein an der Innenseite der Düse erzeugt werden. Diese Profilierungen sind schwierig und nur aufwendig herzustellen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, einen rotationssymmetrischen Hohlkörper mit einer Profilierung an der Innenseite zu erzeugen.
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Gelöst wird die vorliegende Aufgabe durch ein Druckbett für einen 3D-Drucker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Mantelhülle mit den Merkmalen gemäß Anspruch 4 mit einer Mantelfläche zum Umhüllen eines rotationssymmetrischen Druckbetts für einen 3D-Drucker sowie durch einen 3D-Drucker mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines rotationssymmetrischen Hohlkörpers mit einer Profilierung an der Innenseite gemäß Anspruch 11 gelöst.
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In einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Druckbett für einen 3D-Drucker, der mittels eines Druckkopfs ein schmelzfähiges Material in Form eines Filaments abgibt, wobei das Druckbett eine sich entlang einer Rotationsachse erstreckende Welle umfasst. Die Welle ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet und ist in mindestens einem Punkt derart lagerbar, dass sie um ihre Rotationsachse herum drehbar ist. Eine Mantelfläche ist dazu ausgebildet, schmelzfähiges Material aufzunehmen, um einen rotationssymmetrischen Hohlkörper zu bilden. Ein Strukturelement ist an der Mantelfläche vorgesehen, das eine Profilierung an einer Innenseite des Hohlkörpers erzeugt.
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Ein derartiges Druckbett hat wenigstens ein Strukturelement an der Mantelfläche, das eine negative Form für das gewünschte Profil in dem herzustellenden Hohlkörper bildet. Die Strukturelemente werden am Ende des Herstellungsprozesses an der Innenseite des Hohlkörpers in umgekehrter Form sichtbar. Das Strukturelement an der Mantelfläche kann in Längsrichtung des Druckbetts, in Umfangsrichtung oder unter einem vorgegebenen Winkel in Längsrichtung ausgebildet werden. Selbstverständlich ist es möglich, dass die Mantelfläche mehrere Strukturelemente umfasst, die auch aneinandergrenzen oder sich zu einem Element vereinen können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Mantelfläche, an der das Strukturelement angeordnet ist, von der Welle gebildet. Die Mantelfläche entspricht dann der Oberfläche der Welle. Hierbei ist es unbeachtlich, ob die Welle als Hohlwelle oder als Vollwelle ausgebildet ist. Wenn die Welle aus Metall hergestellt ist, können das Strukturelement oder mehrere Strukturelemente ebenfalls aus Metall und einstückig mit der Welle verbunden sein. Die Welle mit Strukturelementen kann dann beispielsweise durch Fräsen hergestellt werden, insbesondere wenn das Druckbett für die Herstellung einer Serienfertigung von rotationssymmetrischen Hohlkörpern mit Innenprofilierung verwendet wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Mantelfläche von einer Mantelhülle gebildet. Die Mantelhülle umgibt die Welle. Eine derartige Mantelhülle ist vorteilhaft dann einsetzbar, wenn die Welle des Druckbetts glatt ist und keine Strukturierung aufweist. Somit lassen sich herkömmliche rotationssymmetrische Druckbette, die beispielsweise zur Herstellung von Schläuchen verwendet werden, nachrüsten und sind dann nachträglich auch für die Herstellung von beispielsweise Düsen mit Innenprofilierung geeignet. Die Verwendung einer Mantelhülle hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Mantelhülle einfach ausgetauscht werden kann, wenn eine andere Profilierung verwendet wird. Da das Druckbett mit glatter Welle somit für mehrere Einsatzzwecke geeignet bleibt, stellt die Mantelhülle eine sehr flexible und preisgünstige Alternative dar, um unterschiedliche Hohlkörper mit verschiedenen Innenprofilierungen zu bilden.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Mantelhülle mit einer Mantelfläche zum Umhüllen einer rotationssymmetrischen Welle, die Teil eines Druckbetts eines Druckers ist, insbesondere eines oben beschriebenen Druckbetts. Die Mantelhülle ist dazu ausgebildet, eine Welle des Druckbetts derart zu umfassen, dass eine selbsttätige Relativbewegung zwischen Welle und Mantelhülle ausgeschlossen ist. Sie ist weiterhin dazu ausgebildet, ein schmelzfähiges Material aufzunehmen, um einen Hohlkörper zu bilden. Dazu weist die Mantelfläche der Mantelhülle ein Strukturelement auf, das eine Profilierung einer Innenseite des herzustellenden Hohlkörpers erzeugt. Eine derartige Mantelhülle hat den Vorteil, dass sie einfach ein rotationssymmetrisches (glattes, mit einer Rauheit kleiner 2 µm) Druckbett eines 3D-Druckers umhüllen kann, um so unterschiedliche Strukturierungen des Druckbetts zu erzeugen, damit Hohlkörper mit unterschiedlichen Profilierungen an deren Innenseite hergestellt werden können. Es lassen sich somit unterschiedliche Mantelhüllen mit verschiedenen Strukturelementen an ihrer Mantelfläche mit einem rotationssymmetrischen Druckbett mit glatter Oberfläche an dessen Welle einsetzen. Auf diese Weise können einfach rotationssymmetrische Hohlkörper mit verschiedenen Profilierungen an deren Innenseite gedruckt werden. Zudem ist die Mantelhülle in der Regel preiswert, da sie vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial oder aus einem natürlichen Fasermaterial besteht oder aus einer Kombination dieser Materialien oder einem Materialmix. Die Mantelhülle ist bevorzugt von der Welle abnehmbar. Auch kann sie bevorzugt wiederverwendet werden. Denkbar ist es auch, dass die Mantelhülle gemeinsam mit dem erzeugten Hohlkörper von der Welle entfernbar ist. Die Mantelhülle dient dann als „Entformungshilfe“ für den Hohlkörper.
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Die Verwendung von Strukturelementen auf der Mantelfläche des Druckbetts, sei es auf der Oberfläche der Welle oder der von der Mantelhülle gebildeten Mantelfläche, bietet die Möglichkeit, Hohlkörper mit Innenprofilierung herzustellen. Anwendungsbeispiele für Bauteile mit einem Hohlkörper und einer Profilierung der Innenseite können etwa Gewinde aus Kunststoff sein, die im 3D-Druckverfahren hergestellt werden und an deren Innenseite das Gewinde direkt beim Drucken erzeugt wird. Darüber hinaus können Hohlkörper hergestellt werden, die insbesondere für das Strömen oder das Weiterleiten von Fluiden eingesetzt werden. Dies sind etwa Rohre, Schläuche oder Hohlleiter oder auch Düsen, durch die Flüssigkeiten oder Gase transportiert werden. Die Profilierung der Innenseite ermöglicht es, Beeinflussungen von Strömungen oder ein geleitetes Führen von Flüssigkeiten und Gasen innerhalb des Hohlkörpers zu realisieren. Beispielsweise lässt sich die Homogenität beim Vermischen mehrerer Fluide in derartigen Rohren verbessern. Denkbar ist auch, dass zylindrische Rohre oder Schläuche an ihrer Innenseite, beispielsweise an den Enden, Nuten aufweisen, um mit anderen Rohren oder Bauteilen über ein Nut- und FederSystem verbunden zu werden.
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Durch die Verwendung von Strukturelementen an der Mantelfläche muss der verwendete 3D-Drucker nicht verändert werden. Lediglich die Welle des Druckbetts sollte einfach lösbar und entnehmbar sein. Diese Forderung ergibt sich aber schon allein dadurch, dass die gedruckten Hohlkörper von dem Druckbett entnommen werden müssen. Sonstige Einflüsse der Strukturelemente auf den Drucker oder das Druckverfahren bestehen nicht, insbesondere wird die Druckrichtung nicht beeinflusst, sodass weiterhin in radialer oder axialer Richtung gedruckt werden kann oder unter verschieden angestellten Winkeln ein spiralförmiger Druck möglich ist. Selbst wenn die Strukturelemente teilweise übereinandergelegt sind, ineinanderfließen oder gekreuzt werden und so beliebige Muster erzeugt werden können, hat dies keinen Einfluss auf den Drucker oder das Druckverfahren. Auch entsprechende Rauigkeiten der Mantelfläche sind unbeachtlich in Bezug auf das Druckverfahren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material der Mantelhülle elastisch. Beispielsweise könnte auch ein Fasermaterial verwendet werden, das eine gewisse Elastizität aufgrund elastischer Zusatzstoffe oder Verbundmaterialien hat. Weiterhin könnte sich die Elastizität der Mantelhülle aus der Webart oder Verarbeitung der einzelnen Fasern ergeben. Vorzugsweise könnte ein Fasermaterial Anteile von elastischen Natur- oder Synthetikmaterialien aufweisen, um die gewünschte Elastizität sicherzustellen.
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Daneben ist es denkbar, dass die Mantelhülle aus einem gummiartigen Material oder aus einem kautschukartigen Material, einem Kunststoff oder aus Silikon gebildet wird. Das Material könnte beispielsweise ein thermoplastischer Kunststoff sein, wie etwa Polybutylenterephthalat (PBT). Beispielsweise könnte ein Nitril-Butadien-Kautschuk verwendet werden oder ein ähnlicher oder anderer Synthesekautschuk. Der als NBR (nitrile butadiene rubber) bezeichnete Kautschuk eignet sich für eine derartige Anwendung besonders gut. In der Regel ist er für Temperaturen bis 120° gut geeignet. Durch unterschiedliche Maßnahmen können die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Kautschuks beeinflusst werden. Beispielsweise ist es denkbar, das Material mit anderen Kunststoffen oder Blends zu verschneiden oder Füllstoffe beizufügen. Auch lässt sich das Mischungsverhältnis von Butadien und Nitril bzw. Acrylnitril entsprechend den Anforderungen ändern. Ein weiterer Einflussfaktor ist der Vernetzungsgrad des Kunststoffs, wodurch unterschiedliche Dichten, in der Regel im Bereich von 1,35 g/ccm bis 1,5 g/ccm herstellbar sind. Die Härte des Kautschuks und somit der Mantelhülle lässt sich im Bereich von 20 bis 90 Shore A auf einfache Weise variieren. Zudem weist der Kautschuk insgesamt gute mechanische Eigenschaften wie eine hohe Zug- und Reißfestigkeit und eine geringe Rückverformung auf. Aufgrund seiner Oberflächenbeschaffenheit ist es möglich, eine so glatte Oberfläche zu schaffen, dass sie für die herzustellenden Schläuche oder Düsen geeignet ist. Gleichzeitig weist die Oberfläche aber eine gute Beschaffenheit auf, damit das schmelzfähige Material von ihr aufgenommen wird, ohne sofort abzurutschen.
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Selbstverständlich sind neben den hier genannten Materialien auch weitere Materialien möglich, die eine gewünschte Elastizität aufweisen und zu einer Flexibilität der Mantelhülle führen. Die Elastizität muss bevorzugt derart groß sein, dass bei geeignetem Durchmesser in Bezug auf den Außendurchmesser der Welle des Druckbetts die Mantelhülle über die Welle gestülpt oder gezogen werden kann und dann derart fest an der Welle anliegt, dass ein selbstständiges Verrutschen oder Bewegen von Mantelhülle zu Druckbett ausgeschlossen ist. Es ist dem Fachmann bekannt, welche Durchmesser die Mantelhülle im Vergleich zum Durchmesser des Druckbetts in Abhängigkeit der Elastizität aufweisen muss, um diese Bedingung zu erfüllen. Auch ist es ein Leichtes, geeignete Kombinationen durch einfaches Probieren herauszufinden.
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Bevorzugt hat die Mantelhülle eine Elastizität (Flexibilität) von wenigstens 1 %, bevorzugt von wenigstens 5 %. In einigen Fällen kann eine Elastizität von 7 % bis 10 % vorteilhaft sein. Teilweise kann die Elastizität auch höher sein. Bevorzugt ist die Elastizität jedoch höchstens 25 %, in einigen Fällen ist eine Elastizität von höchstens 20 %, besonders bevorzugt von höchstens 15 % wünschenswert. Der Grad der Elastizität richtet sich zum einen nach dem Verhältnis des Umfangs der Mantelhülle im Vergleich zum Umfang der Welle des Druckbetts, zum anderen nach den verwendeten Materialien und der Oberflächenglätte der Welle.
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Die Elastizität der Mantelhülle muss vorzugsweise auch so gewählt sein, dass ein Auf- und Abziehen der Mantelhülle auf die Welle des Druckbetts möglich ist, ohne die Welle zu zerstören oder unbrauchbar zu machen. Gegebenenfalls kann die Elastizität auch so groß sein, dass eine Mantelhülle für mehrere Wellendurchmesser verwendet werden kann.
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Vorzugsweise ist das Material der Mantelhülle so gewählt, dass sie an das eingesetzte schmelzfähige Material und dessen Temperatur beim Auftrag angepasst ist. Abhängig davon, wie schnell sich die Wärme des verarbeiteten schmelzfähigen Materials beim Auftrag auf die Mantelhülle entfalten muss, können Materialien verwendet werden, die die Wärmezufuhr bzw. -abfuhr beschleunigen oder verlangsamen. Die Aufwärm- und Abkühlzeiten der verwendeten Filamente sind zu beachten. Die Materialwahl für die Mantelhülle kann auch von den Materialien der Welle des Druckbetts oder von Beschichtungen der Welle abhängen. Dem Fachmann sind hierzu unterschiedliche Materialien bekannt, die er entsprechend dem Anwendungsfall auswählen wird.
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Darüber hinaus kann die Oberflächenbeschaffenheit der Mantelhülle an das verwendete Filament und die Temperatur des aufgetragenen schmelzfähigen Materials angepasst sein, insbesondere um eine ausreichende Haftung auf der Mantelhülle zu gewährleisten. Das Filament muss dabei hinreichend ausgehärtet sein, bevor die Gewichtskraft des Materials nicht mehr durch die obere Seite der Mantelhülle aufgefangen wird, d. h. bevor das Material seitlich bzw. unten am rotationssymmetrischen Druckbett steht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Mantelhülle, wenn sie aus einem flexiblen Material besteht, als Negativ einer erodierten oder zerspanten Form gegossen werden. Die Mantelhülle kann beispielsweise aus einer bestehenden Form abgegossen werden, um die Form ohne Nachmessen und aufwendige Einstellarbeiten zu reproduzieren. In einer Ausführungsform kann die Mantelhülle direkt auf eine glatte Welle gedruckt werden. Sie verbleibt dann - jedenfalls für die Dauer der Herstellung von den gewünschten Hohlkörpern - auf der Welle. Sobald die gewünschte Anzahl von Hohlkörpern hergestellt wurde, kann die Hülle von der Welle entfernt werden, gegebenenfalls unter Zerstörung der Mantelhülle.
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Um den Halt zwischen (glatter) Welle und Mantelhülle zu verbessern kann die Mantelhülle in einer bevorzugten Ausführungsform auf die glatte Welle aufgeklebt oder anderweitig gefügt sein.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform wird die Mantelhülle an der Welle mittels eines Formschlusses oder eines Kraftschlusses gehalten. Die Verbindung von Mantelhülle und Welle wird insbesondere bei elastischen Materialien mittels eines Kraftschlusses hergestellt. Bei Materialien mit geringer Elastizität kann durch Einfügen einer Nut oder Rille in die Welle und einer entsprechenden Ausformung der Innenseite der Mantelhülle ein Formschluss erfolgen. Denkbar ist, dass die Mantelhülle durch weitere Befestigungsmittel an der Welle befestigt wird. Beispielsweise ist es denkbar, dass eine Schelle verwendet wird, um die Mantelhülle an ihren Enden außerhalb des Druckbereichs an die Welle zu pressen. Wichtig ist, dass die Verbindung zwischen Mantelhülle und Welle - sei es durch Formschluss oder Kraftschluss - eine selbsttätige Relativbewegung zwischen Mantelhülle und Welle ausschließt. Mantelhülle und Welle sollen stationär zueinander angeordnet sein und in dieser Position verbleiben, auch wenn die Welle rotiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Strukturelement an einer Oberfläche der Mantelfläche angeordnet. Dabei ist es unerheblich, ob die Mantelfläche direkt von der Welle oder von der Mantelhülle gebildet wird. Bevorzugt sind die Strukturelemente als Erhebungen ausgebildet, die sich in radialer Richtung von der Längsachse der Mantelhülle oder der Welle des Druckbetts nach außen erstrecken. Vorzugsweise sind die Strukturelemente als stegförmige oder wulstförmige Erhebungen ausgebildet. Sie können aber auch in Form von kleineren Wänden oder dünnen Wandungen an der Oberfläche gebildet werden. Derartige Strukturelemente können verwendet werden, um eine Profilierung in dem herzustellenden Hohlkörper zur Verwirbelung eines Fluids zu erzeugen.
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Die Strukturelemente können auch durch Bereiche höherer Rauheit gebildet werden. Die Rauheit dieser Strukturbereiche hat einen Ra-Wert von wenigstens 2,5 µm, bevorzugt von wenigstens 5 µm, sehr bevorzugt von wenigstens 10 µm und besonders bevorzugt von wenigstens 20 µm. In der Regel ist in der praktischen Anwendung die Rauheit auf einen Ra-Wert von 80 µm begrenzt. Damit unterscheiden sich die Strukturbereiche, die den Strukturelementen entsprechen, in ihrer Rauheit deutlich von glatten Oberflächen, die eine Rauheit von höchstens 2 µm haben, in der Praxis von höchstens 1 µm. Strukturelemente, die in Form von derartigen Bereichen erhöhter Rauheit gebildet werden, können beispielsweise verwendet werden, um eine profilierte Oberfläche an der Innenseite des herzustellenden Hohlkörpers (z.B. Rohres) zu erzeugen, um ein in dem Rohr strömendes Fluid an gewünschten Bereichen zu bremsen.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform wird das Strukturelement an der Oberfläche der Mantelfläche durch einen Kanal, eine Einbuchtung oder eine Einkerbung gebildet, die sich in Richtung Rotationsachse erstreckt. Weiterhin ist es möglich, dass das Strukturelement durch eine Öffnung oder eine andere ähnliche Ausnehmung in der Mantelfläche gebildet wird. Hierzu muss die Mantelhülle, wenn sie über eine glatte Welle des Druckbetts installiert ist, eine derartige Dicke aufweisen, dass die Tiefe der Ausnehmung oder des Kanals geringer ist als die Materialstärke der Mantelhülle. Bei einem Strukturelement, das direkt an der Oberfläche des Druckbetts gebildet wird, darf seine in Richtung Rotationsachse der Welle radiale Erstreckung nicht so groß sein, dass die Stabilität der Welle beeinträchtigt wird.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen 3D-Drucker zum Drucken von rotationssymmetrischen Hohlkörpern aus einem schmelzfähigen Material in Form eines Filaments, das aus einem Druckkopf auf das Druckbett aufgetragen wird. Das Druckbett umfasst eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Welle, die in einem Lager derart lagerbar ist, dass sie um ihre Rotationsachse herum drehbar ist. Eine Mantelfläche ist dazu ausgebildet, das schmelzfähige Material aufzunehmen, um einen rotationssymmetrischen Hohlkörper zu bilden. Ein Strukturelement ist an der Mantelfläche vorgesehen, welches eine Profilierung an einer Innenseite des Hohlkörpers erzeugt. Bevorzugt wird die Mantelfläche von der Welle oder von einer die Welle umgebenden Mantelhülle gebildet.
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Wird eine Mantelhülle verwendet, um das Strukturelement an der Mantelfläche zu bilden, wird die Mantelhülle über die glatte Welle des Druckbetts gestülpt. Hierzu wird das Druckbett aus seinen Lagern entfernt und dem 3D-Drucker entnommen. Die Welle des Druckbetts kann dann in die vorzugsweise elastische Mantelhülle eingeschoben werden oder die Mantelhülle über die Welle gestülpt bzw. auf sie aufgezogen werden. Die Mantelhülle ist dabei in Umfangsrichtung einstückig und weist keinen Schlitz auf. Elastisch ausgebildete Mantelhüllen werden bevorzugt verwendet.
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Ist das Druckbett an nur einem Ende in einem Lager gelagert, so kann die Mantelhülle auch über das freie Ende des Druckbetts auf die Welle geschoben werden.
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Die erfindungsgemäße Mantelhülle muss selbstverständlich die Welle nicht über ihre gesamte Länge umhüllen. Es reicht aus, wenn die wesentlichen Teile umhüllt sind, die für das Drucken eines rotationssymmetrischen Hohlkörpers verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Zeichnung eines 3D-Druckers mit einem rotationssymmetrischen Druckbett;
- 2a, b bevorzugte Ausführungsformen des Druckbetts;
- 3a, b den Querschnitt von bevorzugten Druckbettausführungen;
- 4 einen Querschnitt eines mit dem Druckbett aus 3 hergestellten Hohlkörpers; und
- 5 eine weitere Ausführungsform eines Druckbetts mit Mantelhülle.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines 3D-Druckers 10 mit einem rotationssymmetrischen Druckbett 20, das eine Welle 22 umfasst. Der 3D-Drucker 10 weist ein Haltegestell 12 mit einer sich horizontal erstreckenden Traverse 14 auf, an der ein Druckkopf 16 geführt wird. Der Druckkopf 16 gibt ein schmelzfähiges Material in Form eines Filaments 19 ab, das auf das Druckbett 20 abgegeben wird. Das Druckbett 20 ist an seinen beiden Enden 24 mit Wellenzapfen 28 an horizontalen Haltestegen 18 des Haltegestells 12 gelagert und kann in seiner Höhe motorisch verfahren werden. Lager und Motoren zum Verfahren der Wellenposition wie auch des Antriebs des Druckbetts 20 sind in 1 nicht gezeigt.
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Die Welle 22 des Druckbetts 20 hat eine glatte Oberfläche 26, auf die das Filament 19 aufgegeben wird. Auf diese Weise wird ein rohrförmiger oder schlauchartiger Hohlkörper 40 erzeugt, dessen Innenwandung ebenfalls glatt ist.
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Das Druckbett 20 kann auf einfache Weise aus dem Haltegestell 12 entfernt werden, beispielsweise um einen erzeugten Hohlkörper 40 zu entnehmen.
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Teilweise ist es gewünscht, Hohlkörper 40 herzustellen, die eine Profilierung an der Innenseite aufweisen. Beispielsweise kann es gewünscht sein, sich in Längsrichtung erstreckende Kanäle an der Innenseite des Hohlkörpers vorzusehen.
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2a zeigt ein Druckbett 20 mit mehreren Strukturelementen 30, die an der Oberfläche 26 angeordnet sind. Dieses Druckbett 20 kann beispielsweise in einem Drucker 10 aus
1, wie er beispielsweise in der
DE 10 2021 103 402 beschrieben ist, eingesetzt werden. Die Strukturelemente 30 erstrecken sich in Längsrichtung der Welle 22 des Druckbetts 20. Gezeigt sind zwei Strukturelemente 30, wobei in der hier vorgesehenen Ausführungsform insgesamt vier Strukturelemente vorgesehen sind, die vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang der Welle 22 verteilt sind.
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2b zeigt eine alternative Ausführungsform eines Druckbetts 20, bei dem die Welle 22 eine glatte Oberfläche 26 aufweist. Eine Mantelhülle 34 ist über die glatte Welle 22 des Druckbetts gezogen und umschließt die Welle 22 über wenigstens einen Abschnitt entlang ihrer Längsausdehnung in Längsrichtung. Die Mantelhülle 34 kann die Welle 22 im Wesentlichen vollständig umschließen. Die Enden 24 der Welle 22 können aus der Mantelhülle 34 herausragen. Es ist lediglich erforderlich, dass die Mantelhülle 34 sich über den Abschnitt der Welle 22 erstreckt, in dem das Filament 19 des schmelzfähigen Materials für den zu erzeugenden Hohlkörper 40 auf das Druckbett 20 aufgetragen wird.
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Die Mantelhülle 34 umfasst die Mantelfläche 32 mit Strukturelementen 30, die sich hier in Anlehnung an 2a ebenfalls in Längsrichtung des Druckbetts 20 erstrecken. Auch hier ist wenigstens ein Strukturelement 30 vorgesehen. In dem gezeigten Beispiel sind insgesamt vier gleichmäßig über den Umfang der Mantelhülle verteilte Strukturelemente 30 angeordnet, deren Abstand zueinander vorzugsweise gleich sein kann. Dabei sind auch hier die Strukturelemente 30 parallel zueinander angeordnet, jedenfalls derart, dass ihr Abstand zueinander über die gesamte Längsrichtung vorzugsweise gleich ist.
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Die 3a und 3b zeigen die Ausführungsformen gemäß den 2a und 2b im Querschnitt. In 3a ist zu erkennen, dass die Welle 22 als Vollwelle ausgebildet ist, an deren Mantelfläche 32, die durch die Oberfläche 26 der Welle 22 gebildet wird, sich radial nach außen erstreckende Strukturelemente 30 angeordnet sind. Dabei sind die Strukturelemente 30 mit konstantem Abstand zueinander in Längsrichtung des Druckbetts 20 ausgerichtet.
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3b dagegen zeigt eine Mantelhülle 34, an deren Mantelfläche 32 die Strukturelemente 30 ausgebildet sind. Die Mantelhülle ist innen hohl, sodass die Welle 22 in die Mantelhülle 34 in Längsrichtung eingeführt werden kann.
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In 4 ist zur Verdeutlichung ein Hohlkörper 40 gezeigt, an dessen Innenseite 42 eine Profilierung in Form von Kanälen 44 vorgesehen ist. Der Hohlkörper 40 ist mit einem 3D-Druckverfahren erzeugt worden, wobei das Filament auf ein Druckbett gemäß den 2a oder 2b aufgebracht wurde. In dem hergestellten Hohlkörper 40 ist nicht mehr zu unterscheiden, ob das schmelzfähige Material auf ein Druckbett 20 mit einer Welle 22 aufgebracht wurde, an deren Oberfläche 26 Strukturelemente 30 angeordnet sind, oder ob eine glatte Welle 22 verwendet wurde, die mit einer Mantelhülle 34 überzogen ist, an deren Mantelfläche 32 die Strukturelemente 30 ausgebildet sind.
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5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Druckbetts 20 mit einer Mantelhülle 34, an deren Mantelfläche 32 Strukturelemente 30 spiralförmig angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich ein Hohlkörper erzeugen, an dessen Innenseite ein Gewinde oder eine gewindeartige Profilierung ausgeformt ist. Wie 5 zu entnehmen ist, wird das Filament 19 mittels des Druckkopfs 16 aufgebracht, wobei der Druckkopf in Längsrichtung des Druckbetts 20 verfahren wird (Pfeilrichtung).
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Zur Herstellung eines rotationssymmetrischen Hohlkörpers 40 mit einer Profilierung an der Innenseite 42 wird ein Verfahren verwendet, bei dem ein 3D-Drucker 10, der ein Druckbett 20 und einen Druckkopf 16 umfasst, eingesetzt wird. Der Druckkopf 16 gibt schmelzfähiges Material in Form eines Filaments 19 ab. Das Druckbett umfasst eine sich entlang einer Rotationsachse erstreckende Welle 22. Zur Erzeugung des Hohlkörpers werden mehrere Schritte ausgeführt.
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Zunächst wird ein Druckbett 20 mit einer Mantelfläche 32 verwendet, die wenigstens ein Strukturelement 30 aufweist. Die Mantelfläche 32 mit Strukturelement 30 stellt dabei eine Negativform für eine Profilierung an der Innenseite 42 des zu erzeugenden Hohlkörpers 40 dar. Die Welle des Druckbetts 20 ist bevorzugt von einer Mantelhülle 34 überzogen, wie beispielsweise in 5 oder 2b dargestellt. Die Mantelhülle 34 weist das Strukturelement 30 auf und bildet die Mantelfläche 32 des Druckbetts 20.
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Ein weiterer Schritt umfasst das Abgeben eines schmelzfähigen Materials in Form eines Filaments 19 auf die Mantelfläche 32 mit dem Strukturelement 30. Ein Schritt des Aufnehmens des schmelzfähigen Materials auf der Mantelfläche 32 schließt sich an. Hierdurch wird ein Teil des Hohlkörpers 40 gebildet.
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In einem weiteren Schritt erfolgt ein Drehen der Welle 22 um ihre Rotationsachse und/oder ein Verfahren bzw. Bewegen des Druckkopfs 16 entlang eines vorgegebenen Weges. Der vorgegebene Weg kann beispielsweise in Längsrichtung der Welle 22 bei Stillstand der Welle erfolgen. Erst wenn der Druckkopf 16 ein Ende der Welle erreicht hat, erfolgt eine Drehung der Welle um ihre Rotationsachse um einen vorgegebenen kleinen Winkel, sodass der Druckkopf auf dem Rückweg entlang der Längsrichtung der Welle bei Stillstand der Welle neues Filament auf die Mantelfläche aufbringt, das an das bereits auf das Druckbett abgegebene Filament angrenzt und so mit ihm verschmelzen kann. Alternativ könnte beispielsweise ein Drucken gemäß 2a erfolgen, wobei die Welle eine vollständige Umdrehung macht, bevor der Druckkopf um ein kleines Stück in Längsrichtung der Welle bewegt wird. Die Bewegung ist dabei so groß, dass das neue Filament an das bereits abgegebene Filament anschließt, sodass ein durchgängiger Hohlkörper 40 gebildet wird.
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Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
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In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021103402 [0003, 0036]
