DE102021127824A1

DE102021127824A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Oberflächenbearbeitung

Info

Publication number: DE102021127824A1
Application number: DE102021127824.4A
Authority: DE
Inventors: Julian Scholz
Original assignee: Apium Additive Tech GmbH; Apium Additive Technologies GmbH
Current assignee: Apium Additive Tech GmbH; Apium Additive Technologies GmbH
Priority date: 2021-10-26
Filing date: 2021-10-26
Publication date: 2023-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche wenigstens eines durch einen 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstranges.Oberflächen von durch einen 3D-Drucker gebildeten Objekten leiden meist unter einer schlechten Güte. Daher hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine verbesserte Maßgenauigkeit hinsichtlich der einzuhaltenden Toleranzen und eine verbesserte Oberflächenqualität eines durch einen 3D-Drucker gebildeten Druckobjektes zu gewährleisten.Diese Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche wenigstens eines durch einen 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstranges, umfassend wenigstens ein Formwerkzeug, dadurch gelöst, dass das Formwerkzeug wenigstens einen Formkörper aufweist, wobei der Formkörper mit dem wenigstens einen Extrusionsstrang in Kontakt bringbar und mittels des Formkörpers die Oberfläche des wenigstens einen Extrusionsstranges bearbeitbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche wenigstens eines durch einen 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstranges, umfassend wenigstens ein Formwerkzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche wenigstens eines durch einen 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstranges mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind inzwischen unterschiedliche 3D-Druckverfahren vorbekannt, nämlich unter anderem das Fused-Filament-Fabrication, kurz FFF-Druck-Verfahren, auch Materialextrusionsverfahren genannt, das Selective-Laser-Sintering, kurz SLS-Druck-Verfahren und das Stereolithographie-Druckverfahren, kurz SLA-Druckverfahren.
Beim Materialextrusionsverfahren wird mittels eines relativ zur Druckplattform beweglichen Druckkopfes ein thermoplastischer Kunststoff Schicht für Schicht aufgetragen und so letztlich ein Bauteil erzeugt. Im Druckkopf wird das drahtförmige Ausgangsmaterial aufgeschmolzen, durch eine Düse gedrückt und auf dem Druckkörper abgelegt. Das flüssige Material kühlt ab, erstarrt und der dadurch entstehende Extrusionsstrang hat dabei einen pillenförmigen Querschnitt. Die Breite dieses Extrusionsstranges - welche dadurch beeinfluss ist, wieviel Material pro Zeit extrudiert wird - ist dabei maßgeblich für die Einhaltung etwaiger Bauteiltoleranzen verantwortlich. Schwankungen in der Materialextrusion führen zu Schwankungen in der Breite des Extrusionsstranges und dadurch letztlich zu einer Verschlechterung der Bauteiltoleranzen. Die Schwankungen können unterschiedliche Ursachen haben. Beispielsweise haben schwankende Filamentdurchmesser, schwankende Temperaturen im Druckkopf oder Verunreinigungen/Abnutzungen in der Düse einen Einfluss auf die Bauteilqualität. Des Weiteren können auch die Materialeigenschaften des verwendeten Baumaterials von Charge zu Charge unterschiedlich sein.
Aus diesen Gründen sind die Toleranzen im 3D-Druck im direkten Vergleich zu abtragenden Verfahren, beispielsweise dem Fräsen oder Drehen, auch weiterhin deutlich schlechter. Durch die pillenförmigen Extrusionsstränge ist außerdem die Rauheit der Oberfläche unbefriedigend. Um diese zu verbessern, ist aus dem Stand der Technik bekannt, beim Extrudieren der Extrusionsstränge eine feinere Schichthöhe zu wählen, wobei sich hierdurch allerdings die Druckzeit und damit auch die Herstellungszeit des jeweiligen Bauteils deutlich erhöht. Es liegt also einen Optimierungskonflikt zwischen Druckzeit und Oberflächenqualität vor.
Die additive Fertigung - also das Schicht um Schicht Auftragen - mittels des Materialextrusionsverfahren weist weiterhin gegenüber anderen herkömmlichen abtragenden Verfahren noch folgende relevante Nachteile auf, nämlich dass die jeweils erreichbaren geometrischen Toleranzen und die erreichbare Oberflächengüte des Druckobjektes schlechter sind als bei abtragenden Verfahren. Auch besteht im Zusammenhang mit der Herstellung von Schrägen in dem jeweiligen Bauteil das Problem des so genannten Treppenstufeneffektes, wobei dies der schichtweisen Herstellung des Druckobjektes im 3D-Druck geschuldet ist. Darüber hinaus werden die Herstellungskosten des jeweiligen Druckobjektes maßgeblich durch die Druckzeit stark beeinflusst, wobei die Druckzeit wiederum bei Vermeidung einer rauen Oberfläche und somit der Verringerung der jeweils zu extrudierenden Schichthöhe natürlich erhöht ist.
Zur Lösung dieses Problems ist unter anderem aus dem Stand der Technik vorbekannt, mit Hilfe einer sogenannten „Ironing“-Funktion, also „Bügel“-Funktion von etwaigen Druckprogrammen, auch „Slicer“-Programme genannt, den obersten vom 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstrang durch die Unterseite einer Druckdüse eines 3D-Druckers „glattzubügeln“. Zwar funktioniert die Bearbeitung der oberen Oberfläche eines extrudierten Extrusionsstranges durch die Druckdüse des 3D-Druckers sehr gut, allerdings ist die Anwendung auf die horizontale Schicht, also der XY-Ebene, beschränkt. Diese Verfahrensweise ist beispielsweise in dem Artikel „Bügeln - Mit dem PrusaSlicer 2.3 (RC) Oberflächen superglatt machen“ (URL:

https://blog.prusaprinters.org/de/buegeln-mit-dem-prusaslicer-2-3-rcoberflaechen-superglatt-machen_41506/) beschrieben.

Die nachträgliche Bearbeitung eines durch einen 3D-Druckers erzeugten Druckobjektes ist ebenfalls aus dem Stand der Technik vorbekannt. Beispielsweise offenbart die CN 105773970A eine Hybridmaschine die den 3D-Druck mit einer zerspanende Fertigungsvorrichtung, hier dem Fräsen, kombiniert. Hierbei wird die Außenkontur eines gedruckten Extrusionsstranges von einem Fräser auf Maß gefräst, wobei dieser Vorgang für jeden neu extrudierten Extrusionsstrang wiederholt wird. Allerdings funktioniert diese Methode nur bei Materialien die schnell abkühlen. Somit eignet sich das hierbei beschriebene Verfahren nicht für Hochleistungskunststoffe, die meist nicht schnell abkühlen und somit beim Fräsen noch zäh und weich wären. Darüber hinaus wird der Extrusionsstrang bereits mit Überschuss extrudiert, um den Materialverlust durch das nachträgliche Fräsen auszugleichen. Somit wird letztlich hier mehr Material als bei einem üblichen 3D-Druck benötigt und es geht viel Material in Form von Spänen verloren.
Weiterhin ist aus dem deutschen Patent DE 10 2016 111 047 B3 ein Verfahren und eine Anlage zur kombiniert additiven und umformenden Fertigung eines metallischen Formkörpers vorbekannt. Es handelt sich dabei mehr oder minder um ein 3D-Druckverfahren für metallische Werkstoffe, bei dem in einem Fertigungsprozess sowohl die Herstellung des metallischen Druckobjektes als auch die Umformung zur Verbesserung der Oberflächenrauigkeit durchgeführt wird. Realisiert wird dies dadurch, dass nach dem Aufschmelzen einer abgeschiedenen und erstarrten Schicht diese mittels eines Umformwerkzeuges, dass wenigstens zwei Walzen umfasst, nach Maßgabe von Geometriebeschreibungsdaten durch das seitliche Entlangführen der wenigstens zwei Walzen an der abgeschiedenen Schicht, umgeformt wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik und den zuvor beschriebenen sich beim 3D-Druck ergebenden Problemen, liegt die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, eine verbesserte Maßgenauigkeit hinsichtlich der einzuhaltenden Toleranzen und eine verbesserte Oberflächenqualität eines durch einen 3D-Drucker gebildeten Druckobjektes zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird mit Hilfe einer Vorrichtung gemäß dem geltenden Anspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch den nebengeordneten Verfahrensanspruch 22 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
In einem ersten Aspekt handelt es sich bei der Erfindung um eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche wenigstens eines durch einen 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstranges, umfassend wenigstens ein Formwerkzeug. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Formwerkzeug wenigstens einen Formkörper aufweist. Dieser Formkörper ist dabei mit dem wenigstens einen Extrusionsstranges in Kontakt bringbar, sodass die Oberfläche des wenigstens einen Extrusionsstranges mittels des Formkörpers des Formwerkzeuges bearbeitbar ist. Ein Formkörper kann dabei jedwede räumliche Ausgestaltung einnehmen, die sich zur Bearbeitung einer Oberfläche eignet. Durch das Bearbeiten des extrudierten Extrusionsstranges mittels des Formkörpers können beispielsweise die sonst durch die Extrudierung einzelner Extrusionsstränge vorhandenen Rillen zwischen den jeweils extrudierten Extrusionssträngen stark reduziert bzw. nahezu vollständig entfernt werden. Im Ergebnis kann in diesem Fall eine deutlich glattere Oberfläche des Bauteils erreicht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Formwerkzeug ein Verbindungselement zum Formkörper auf. Hierdurch besteht unter anderem die Möglichkeit die räumliche Ausrichtung des Formkörpers gegenüber dem Formwerkzeug einzustellen, aber auch das Wechseln von Formkörpern an dem wenigstens einem Formwerkzeug zu ermöglichen.
Weiterhin sieht die Vorrichtung in einer vorteilhaften Ausgestaltung vor, dass der Formkörper über wenigstens eine Formgeometrie verfügt. Bevorzugt ist die Formgeometrie dabei kugelförmig, kegelförmig, zylindrisch, quadratisch, rechteckig, dreieckig, bürstenförmig oder eine Kombination hiervon. Auch kann die Formgeometrie über ein Verbindungselement mit dem Formkörper verbunden sein. Somit ist die räumliche Ausrichtung der Formgeometrie gegenüber dem Formkörper einstellbar, aber auch das Wechseln von Formgeometrien an dem wenigstens einem Formkörper kann ermöglicht werden. Bevorzugt handelt es sich bei dem Verbindungselement, dass den Formkörper mit der Formgeometrie verbindet, um ein Kugelgelenk.
Um eine sanfte bzw. milde Bearbeitung der Oberfläche wenigstens eines Extrusionsstranges gewährleisten zu können, sieht die Vorrichtung in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vor, dass die Formgeometrie aus einem weichem, sich an die Oberfläche des extrudierten Extrusionsstranges anschmiegendes Material gefertigt ist. Ein Material, dass hierfür in Frage kommen könnte, wäre beispielsweise Silikon.
Da mit 3D-Druck letztlich dreidimensionale Bauteile erzeugt werden können und sich mit jedem extrudierten Extrusionsstrang die aktuelle Form bzw. Kontur des zu erzeugenden Bauteils ändern kann, schlägt die Erfindung für die Vorrichtung vor, dass das Formwerkzeug, der Formkörper und/oder die Formgeometrie frei drehbar ist. Hierdurch kann sich an nahezu jede Kontur oder Oberfläche des zu bildenden Bauteils angepasst werden. Besonders bevorzugt kann dabei das Formwerkzeug, der Formkörper und/oder die Formgeometrie einzeln angesteuert werden. Somit kann letztlich die jeweils vorhandene freie Drehbarkeit einzeln gesteuert werden.
Je nach verwendetem Material beim 3D-Druck kühlen bzw. härten die jeweils extrudierten Extrusionsstränge schneller oder langsamer ab respektive aus. Hierdurch wird eine sich an die Extrusion eine Extrusionsstranges anschließende Bearbeitung der Oberfläche des extrudierten Extrusionsstranges erschwert bzw. unmöglich. Um dieses Problem zu lösen, schlägt die Erfindung für die Vorrichtung in einer vorteilhaften Ausgestaltung vor, dass mittels einer Temperierungseinrichtung der Formkörper und/oder die Formgeometrie erhitz- und/oder abkühlbar ist. Damit kann der mit dem extrudierten Extrusionsstrang in Kontakt bringbare Formkörper bzw. die ggf. vorhandene Formgeometrie durch den erhitzten bzw. abgekühlten Formkörper bzw. - wenn vorhanden - die erhitzte bzw. abgekühlte Formgeometrie den wenigstens einen Extrusionsstrang erhitzten oder abkühlen, womit eine nachträgliche Bearbeitung ermöglicht wird. Somit kann zum einen ein bereits erstarrtes Extrusionsmaterial wieder soweit erhitzt werden, dass dieses wieder verformbar bzw. nachbearbeitbar ist. Zum anderen kann ein noch zu flüssiges Extrusionsmaterial derart abgekühlt werden, dass dieses nach Umformen bzw. Bearbeitung erstarrt.
Dabei ist denkbar, dass die Temperierungseinrichtung beispielsweise ein Heizstrahlquelle ist, insbesondere ein Infrarot-Laser, mit dem der Formkörper bzw. die Formgeometrie erhitzbar ist. Dies hätte den bedeutenden Vorteil, dass bei rotierenden oder freibeweglichen Bauteilen des Formkörpers bzw. der Formgeometrie eine aufwendige Bauweise, insbesondere zu Vermeidung eines verdrillen etwaiger vorhandener Heizkabel, verhindert werden kann.
In einer abermals vorteilhaften Ausgestaltung ist die Temperierungseinrichtung innerhalb des Formkörpers und/oder der Formgeometrie angeordnet. Somit kann eine gezielte und ggf. punktuelle Erhitzung bzw. Abkühlung des Formkörpers und/oder der Formgeometrie und damit letztlich des zu bearbeitenden Extrusionsstranges realisiert werden.
Um Material und damit letztlich Gewicht beim Formkörper und/oder der Formgeometrie einzusparen, sieht die Erfindung für die Vorrichtung in einer vorteilhaften Ausgestaltung vor, dass diese Aussparungen enthält. Besonders Aussparungen am Formkörper, die über eine innerhalb des Formkörpers und/oder der Formgeometrie angeordnete Temperierungseinrichtung verfügen, erweisen sich als vorteilhaft, da hierdurch auch ein Wärmefluss in das Formwerkzeug minimiert bzw. verhindert werden kann.
Ferner sieht die Erfindung für die Vorrichtung vor, dass der Formkörper und/oder die Formgeometrie aus einem wärmeleitenden Material besteht. Somit können beispielsweise kurze Aufheiz- und Abkühlzeiten realisiert werden, die wiederum sich positiv auf die Druckzeit auswirken können. Bevorzugt handelt es sich bei dem wärmeleitenden Material um ein Metall oder ein beschichtetes Metall. Je nach verwendetem Material kann sowohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit aber auch eine hohe Oberflächengüte des Formkörpers bzw. der Formgeometrie realisiert werden.
Damit sich der sich bei der Bildung eines dreidimensionalen Objektes ändernden Form und Kontur dynamisch angepasst werden kann, sieht die die Vorrichtung vor, dass diese mehrere Formwerkzeuge und/oder Formkörper und/oder Formgeometrien aufweist und diese besonders bevorzugt in einer Trommel- oder Magazinbauweise vorgehalten werden. Auch ist denkbar, dass die Vorrichtung über ein Vorhaltebehälter zur Aufbewahrung unterschiedlicher Formkörper und/oder Formgeometrien verfügt und dass das Formwerkzeug diese selbststätig wechseln kann.
Weiterhin sieht die Vorrichtung in einer abermals vorteilhaften Ausgestaltung vor, dass diese an einem Druckkopf eines 3D-Druckers angeordnet ist. Dabei ist denkbar, dass zunächst durch den Druckkopf eines 3D-Druckers ein Extrusionsstrang extrudiert und anschließend das Formwerkzeug der Vorrichtung am Druckkopf ausgefahren und der zuvor vom Druckkopf extrudierte Extrusionsstrang mit dem Formkörper des Formwerkzeuges bearbeitet wird.
Alternativ könnte auch die Vorrichtung in einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung in eine Düse eines Druckkopfes eines 3D-Druckers integriert sein. Somit könnte nach Extrudierung eines Extrusionsstranges durch den Druckkopf ohne weitere Schritte direkt mit der in die Düse integrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung der zuvor extrudierte Extrusionsstrang bearbeitete werden.
Des Weiteren sieht die Vorrichtung in einer abermals vorteilhaften Ausgestaltung vor, dass diese über eine Bewegungseinrichtung zur Bewegung des Formwerkzeuges in wenigstens eine Raumrichtung aufweist. Ist die Bewegungseinrichtung in alle drei Raumrichtungen, also in der XYZ-Ebene, bewegbar, so kann unabhängig von einer üblicherweise beim 3D-Drucker vorhandenen beweglichen Druckgrundplatte, der zuvor durch einen Druckkopf eines 3D-Drucker extrudierte Extrusionsstrang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bearbeitet werden.
In einem zweiten Aspekt handelt es sich bei der Erfindung um ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche wenigstens eines durch einen 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstranges mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Formkörper des Formwerkzeuges an der Oberfläche des wenigstens einen von einem 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstranges entlanggeführt wird, wodurch eine Glättung der Oberfläche des Extrusionsstranges erzielt wird.
Um das Ergebnis, also die Glättung der Oberfläche des extrudierten Extrusionsstranges, zu verbessern, sieht das Verfahren in einer vorteilhaften Ausgestaltung vor, dass das Entlangführen des Formkörpers an dem extrudierten Extrusionsstranges mehrfach durchgeführt wird. Somit können etwaige durch den Glättungsprozess hervorgerufene Unebenheiten ausgeglichen werden.
Ferner sieht das Verfahren in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vor, dass nach jedem durch den 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstranges der Formkörper des Formwerkzeuges an der Oberfläche des Extrusionsstranges entlanggeführt wird, wobei bevorzugt die Formung nach jeder gedruckten Schicht durchgeführt wird, also erst dann, wenn die jeweilige Schicht vollständig gedruckt ist. Zwar liegt es nahe anzunehmen, dass durch Hinzunahme des Prozessschrittes, nach jedem extrudierten Extrusionsstrang oder jeder gedruckten Schicht, zunächst die Oberfläche des extrudierten Extrusionsstranges mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung bearbeitet wird, dies zu einer Erhöhung der Druckzeit und somit zu einer Verlangsamung der Druckgeschwindigkeit führen würde.
Dies ist auch zutreffend, wenn an den grundlegenden Parametern, beispielsweise der zu extrudierenden Schichtdicke, nichts geändert wird. Jedoch wird in der Regel die Schichtdicke möglichst klein gewählt, um die Oberflächenqualität zu verbessern. Da allerdings die Oberflächenqualität mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung deutlich verbessert werden kann, kann auch letztlich eine höhere Schichtdicke gewählt werden. Dies führt im Ergebnis dann doch zu einer deutlich schnelleren Druckzeit, auch wenn ein weiterer Verfahrensschritt hinzutritt.
Letztlich sieht das Verfahren in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vor, dass der Formkörper des Formwerkzeuges erst nach Herstellung des durch den 3D-Drucker, zu bildenden Objektes, an die durch den 3D-Druck extrudierten Extrusionsstränge entlanggeführt wird.
Im Falle von Hochleistungskunststoffen bleiben die Extrusionsstränge des gebildeten Druckobjektes auch nach dem Druckprozess meist verformbar, sodass die Oberflächenbearbeitung auch nach dem abgeschlossenen Druckvorgang durchgeführt werden kann. Sollte allerdings das extrudierte Druckmaterial bereits erstarrt sein, so können mittels einer Temperierungseinrichtung, die vorzugsweise innerhalb des Formkörpers und/oder der Formgeometrie des Formwerkzeuges angeordnet ist, die Extrusionsstränge erhitzt werden, wodurch die Extrusionsstränge wiederum verformbar und letztlich die Oberflächen durch den Formkörper respektive die Formgeometrie bearbeitbar sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Anwendungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt:

1: eine Düse eines 3D-Druckkopfes und einen durch die Düse extrudierten Extrusionsstrang,
2: einen 3D-Drucker mit Druckkopf und einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3: die exemplarische Auftragung eines Extrusionsstranges durch einen Druckkopf auf bereits extrudierte Extrusionsstränge,
4: die exemplarische Bearbeitung einer extrudierten Druckschicht
5: einen Querschnitt eines bearbeiteten Extrusionsstranges,
6: den Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines Formwerkzeuges,
7: unterschiedliche Formgeometrien,
8: exemplarisch drei Fälle von unterschiedlichen zu bearbeitenden Oberflächen,
9: ein nicht bearbeitetes und ein bearbeitetes Druckobjekt jeweils im Querschnitt,
10: die Bearbeitung eines durch einen 3D-Drucker gebildeten Gewindes, sowie
11: die Bearbeitung eines durch einen 3D-Drucker gebildeten Zahnrads.

1 zeigt eine Düse 2 eines Druckkopfes eines 3D-Druckers und einen durch diese Düse 2 extrudierten Extrusionsstranges 1.
Im Druckkopf wird das drahtförmige Ausgangsmaterial aufgeschmolzen, durch eine Düse 2 gedrückt und der so gebildete Extrusionsstrang 1 kann auf einem Druckobjekt 8 abgelegt werden. Das flüssige Material kühlt ab, erstarrt und der dadurch entstehende Extrusionsstrang 1 hat dabei einen pillenförmigen Querschnitt 4. Die Breite 5 dieses pillenförmigen Extrusionsstranges 1, welche sich dadurch bestimmt, wieviel Material pro Zeit extrudiert wird, ist dabei maßgeblich für die Einhaltung etwaiger Bauteiltoleranzen verantwortlich. Schwankungen in der Materialextrusion führen zu Schwankungen in der Breite 3 des Extrusionsstranges 1 und dadurch zu einer Verschlechterung der Bauteiltoleranzen. Diese Problematik soll mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren gelöst werden.
Ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in 2 gezeigt. Diese zeigt eine exemplarische und vereinfachte Darstellung eines 3D-Druckers, der über eine erfindungsgemäße Vorrichtung verfügt.
In diesem Ausführungsbeispiel besitzt der 3D-Drucker zusätzlich zum herkömmlichen Druckkopf 6 ein Formwerkzeug 7, mit welchem die Oberfläche wenigstens eines Extrusionsstranges 1 nachbearbeitbar ist. Das Druckobjekt 8 sitzt hier auf einer Druckplatte 9, welche in Z-Richtung 10 angesteuert werden kann. Der Träger 11 kann dabei in Y-Richtung 12 angesteuert werden. Der Druckkopf 6 und das Formwerkzeug 7 können dabei unabhängig voneinander in X-Richtung angesteuert werden. Der Druckkopf hat somit seine eigene X1-Achse 13 und das Formwerkzeug seine eigene X2-Achse 14.
Das Druckverfahren, mit dem in 2 gezeigten 3D-Drucker, kann folgendermaßen verlaufen. Zunächst wird, wie in 3 dargestellt, ein Extrusionsstrang 1 mit dem Druckkopf 6 des 3D-Druckers auf bereits vorhandene Extrusionsstränge eines Druckobjektes 8 extrudiert. Das Formwerkzeug 7 befindet sich dabei auf einer Parkposition und ist in dieser Phase nicht zwingend beteiligt.
Der frisch aufgetragene Extrusionsstrang 1 oder die frisch aufgetragene Druckschicht hat dabei die in 1 dargestellte, klassische Pillenform und ragt leicht über die bereits bearbeiteten Extrusionsstränge 15 heraus. Ist der oberste Extrusionsstrang 16 oder die Druckschicht vollständig extrudiert, fährt der Druckkopf 6 auf seine Parkposition und es folgt die zweite Phase, welche in 4 dargestellt ist.
4 zeigt, wie das Formwerkzeug 7 die äußere Kontur des obersten Extrusionsstranges 16 abfährt. Dabei wird das Äußere des obersten Extrusionsstranges 16 durch das Formwerkzeug 7 auf ein gewünschtes Sollmaß 18, wie in 5 gezeigt, umgeformt, wodurch eine glatte Oberfläche 17 entsteht.
Dabei wird der pillenförmige Querschnitt 4 des Extrusionsstranges 1,16, wie in 5 dargestellt, verformt. Die Rundung des pillenförmigen Querschnitts 4 wird dabei zu einer Geraden geformt. Das überstehende Material 19 wird dabei in die sich zwischen den Extrusionssträngen ausbildenden Rillen 20 gedrückt. Des Weiteren ist es möglich, die Deckflächen 26 eines Druckobjektes oder eines obersten Extrusionsstranges 16, also in der XY-Ebene, mit der Unterseite des Formwerkzeugs 7 zu bearbeiten.
Ein möglicher Aufbau eines Formwerkzeuges 7 ist in 6 gezeigt. Das Formwerkzeug 7 besteht hier im Wesentlichen aus drei Komponenten, einer Aufnahme 21, einer Temperierungseinrichtung 22 und einem Formkörper 23. Die Aufnahme 21 dient als Verbindungselement zwischen Formkörper 23 und Formwerkzeug 7. Der Formkörper 23 kann über die Temperierungseinrichtung 22, die sich innerhalb des Formkörpers 23 befindet, auf eine gewünschte Temperatur eingestellt werden. Die Formgeometrie 25 des Formkörpers 23 ist hierbei für das Formen der Oberfläche des Druckobjektes 8 zuständig und besitzt daher eine hohe Oberflächengüte mit engen Fertigungstoleranzen. Im einfachsten Fall kann die Formgeometrie 25 aber als einfacher Zylinder ausgeführt sein, siehe zylinderförmige Formgeometrie 33 in 7.
Das Material des Formkörpers 23 und der Formgeometrie 25 kann dabei aus einem Material mit einem hohen Wärmeleitkoeffizient bestehen, um beim Heizen die Wärme durch den Formkörper bzw. der Formgeometrie schnell in den Kunststoff transportieren oder beim Kühlen die Wärme schnell aus dem Kunststoff abführen zu können. Es ist dabei auch denkbar, eine Kombination aus mehreren Materialien durch beispielsweise eine Beschichtung zu realisieren.
Im Formkörper 23 sind einige Aussparungen 24 vorhanden, um den Querschnitt oberhalb der Temperierungseinrichtung 22 zu verkleinern. Dies hat den Vorteil, dass der Wärmefluss in die Aufnahme 21 minimiert werden kann.
Die Formgeometrie eines Formkörpers 23 kann in vielen verschiedenen Varianten ausgeführt sein. Einige Beispiele für verschiedene Formgeometrien eines Formkörpers 23 sind in 7 dargestellt. Dabei handelt es sich um eine zylinderförmige Formgeometrie 33, eine zylinderförmige Formgeometrie mit Fase 34, eine zylinderförmige Formgeometrie mit Rundung 35, eine kugelförmige Formgeometrie 36, eine zylinderförmige Formgeometrie mit zwei Rundungen 37, eine Formgeometrie für Gewinde 38, eine Formgeometrie für scharfe Hinterschnitte 39 sowie um eine zylinderförmige Formgeometrie mit zwei Fasen 40.
Unterschiedliche Formgeometrien, wie in 7 dargestellt, können je nach Anwendungsfall gewählt werden. Um den Bedarf für unterschiedliche Formgeometrien bei einem Formkörper 23 besser aufzeigen zu können, wird dies anhand von drei Beispielen, die in 8 dargestellt sind, näher erläutert.
Das erste Beispiel zeigt das Formen von vertikalen Flächen 27. Hierbei ist die geformte Fläche senkrecht zur Druckebene, also vertikal. Für diesen Fall ist eine ebenfalls vertikale Fläche 28 an einer Formgeometrie optimal.
Im zweiten Beispiel betrifft es das Formen von schrägen Flächen ohne Überhang 29. Hier liegt die geformte Fläche schräg zur Druckebene, allerdings ohne Überhang.
Ein Beispiel wäre ein spitz zulaufender Kegel mit der Spitze nach oben zeigend. Für diesen Fall weist die Formgeometrie einer schräge Fase 30 auf der unteren Kante auf. Ohne diese Fase 30 könnten schräge Flächen eines Druckobjektes nur durch „Treppenstufen“ angenähert werden.
Im dritten und letzten Beispiel ist das Formen von schrägen Flächen mit Überhang 31 gezeigt. Hier verhält sich die Situation ähnlich wie zum zweiten Beispiel, allerdings in gespiegelter Ausführung.
Ein Beispiel für ein entsprechendes Druckobjekt, wäre ein gedruckter Kegel, an dem die Spitze nach unten zeigt. Hierfür weist die Formgeometrie eine schräge Fase 32 auf der oberen Kante auf.
Um eine schräge Oberfläche, wie im zweiten und dritten Beispiel in 8 dargestellt, perfekt abbilden zu können, würde theoretisch für jeden Winkel eine passende Formgeometrie benötigt werden. Um allerdings eine hohe Vielzahl an Werkzeugen zu vermeiden, lassen sich die Schrägen auch gut durch runde Formgeometrien 35, 36, 37, wie in 7 dargestellt, annähern. Je nach Winkel der zu bearbeitenden Schräge, werden hier andere Bereiche der Rundung der Formgeometrie 35, 36, 37 für das Formen benutzt. Die zylinderförmige Formgeometrie 33 würde sich beispielsweise für ein Druckobjekt, welches ausschließlich vertikale und horizontale Flächen besitzt, gut eignen. Die Gewindegeometrie 38 eignet sich hingegen primär zum Nachformen von mittels 3D-Druck gebildeten Gewinden, wie in 10 gezeigt.
In 9 ist der Unterschied eines Druckobjektes mit und ohne Nachbearbeitung durch einen Formkörper 23 dargestellt. Die obere Abbildung zeigt einen Querschnitt 41 eines Druckobjekts mit mehreren Extrusionssträngen ohne entsprechende Nachbearbeitung. Dabei sind die stark ausgebildeten Rillen 42 zwischen den Extrusionssträngen zu erkennen, welche zu einer schlechten Oberflächengüte führen. In der darunter angeordneten Abbildung ist wiederum ein Querschnitt 43 eines Druckobjektes mit einer erfindungsgemäßen Nachbearbeitung gezeigt. Aus dieser ist ohne weiteres eine starke Reduktion der Rillen 42 zu erkennen, wodurch letztlich eine glatte Oberfläche 44 erzielt werden kann.
10 zeigt eine Gewindegeometrie 38 eines Formkörpers 23 zur Bearbeitung eines durch einen 3D-Drucker gebildeten Gewindes 45. Die Gewindegeometrie 38 ist dabei im Endeffekt eine Negativform einer Gewindeflanke. Durch einen helixförmigen Verfahrpfad des Formwerkzeuges 7 kann somit das per 3D-Druck gebildete Gewinde 45 mittels der Gewindegeometrie 38 des Formwerkzeuges 7 nachgeformt werden.
Dieser Prozess kann dabei Schicht für Schicht stattfinden oder über mehrere Schichten hinweg. Es ist auch denkbar ein komplettes von einem 3D-Drucker erzeugtes Gewinde 45 in einem nachgelagerten Prozess nachzuformen. Die Bearbeitung kann dabei sowohl für Außen- als auch für Innengewinde erfolgen.
Letztlich zeigt 11 die Bearbeitung eines durch einen 3D-Drucker gebildeten Zahnrads 47 mit einer speziellen Zahnradgeometrie 46.
Hierbei weist die Zahnradgeometrie 46 eine spezielle Gegenform eines Zahnrads auf. Für die Bearbeitung des durch einen 3D-Drucker gebildeten Zahnrads wird nach und nach jeder Zahn des Zahnrades mit der Zahnradgeometrie 46 abgefahren. Da hier die Zahnradgeometrie 46 immer korrekt zum gedruckten Zahnrad 47 ausgerichtet sein muss, ist die Zahnradgeometrie 46 drehbar um die Z-Achse ansteuerbar. Die Bearbeitung kann dabei auch Schicht für Schicht oder über mehrere Schichten hinweg durchgeführt werden. Die Zahnradgeometrie 46 kann dabei mehrere Zahnradgeometrien beinhalten. Je nachdem was für ein Zahnrad im 3D-Druck gefertigt werden soll, kann so durch Rotation des Formkörpers 23 oder der Zahnradgeometrie 46 immer die passende Zahnradform in der Zahnradgeometrie 46 ausgewählt werden.
Somit ist vorstehend eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche wenigstens eines durch einen 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstranges offenbart, wodurch eine verbesserte Maßgenauigkeit hinsichtlich der einzuhaltenden Toleranzen und eine verbesserte Oberflächenqualität eines durch einen 3D-Drucker gebildeten Druckobjektes gewährleistet werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Extrusionsstrang
2: Düse
3: Schwankungen in der Breite des Extrusionsstranges
4: Pillenförmiger Querschnitt
5: Breite des Extrusionsstranges
6: Druckkopf
7: Formwerkzeug
8: Bauteil
9: Druckplatte
10: Z-Richtung (Z-Achse)
11: Träger
12: Y-Richtung (Y-Achse)
13: X1-Richtung (X1-Achse)
14: X2-Richtung (X2-Achse)
15: Bearbeitete Extrusionsstränge
16: Oberster Extrusionsstrang
17: Glatte Oberfläche
18: Sollmaß
19: Überstehendes Material
20: Rillen
21: Aufnahme
22: Temperierungseinrichtung
23: Formkörper
24: Aussparung
25: Formgeometrie
26: Deckfläche
27: Vertikale Flächen
28: Vertikale Fläche auf der Formgeometrie
29: Schräge Fläche ohne Überhang
30: Schräge Fläche auf der Formgeometrie auf der Unterseite
31: Schräge Fläche mit Überhang
32: Schräge Fläche auf der Formgeometrie auf der Oberseite
33: Zylinderförmige Formgeometrie
34: Zylinderförmige Formgeometrie mit Fase
35: Zylinderförmige Formgeometrie mit Rundung
36: Kugelförmige Formgeometrie
37: Zylinderförmige Formgeometrie mit zwei Rundungen
38: Gewindegeometrie
39: Formgeometrie für scharfe Hinterschnitte
40: Zylinderförmige Formgeometrie mit zwei Fasen
41: Querschnitt
42: Rillen
43: Querschnitt
44: Glatte Fläche
45: Gewinde
46: Zahnradgeometrie
47: Zahnrad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CN 105773970 A [0007]
DE 102016111047 B3 [0008]

Claims

Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche wenigstens eines durch einen 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstranges, umfassend wenigstens ein Formwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug wenigstens einen Formkörper aufweist, wobei der Formkörper mit dem wenigstens einen Extrusionsstrang in Kontakt bringbar und mittels des Formkörpers die Oberfläche des wenigstens einen Extrusionsstranges bearbeitbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug ein Verbindungselement zur Verbindung des Formkörpers mit dem Formwerkzeug aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper wenigstens eine Formgeometrie aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgeometrie kugelförmig, kegelförmig, zylindrisch, quadratisch, rechteckig, dreieckig, bürstenförmig oder eine Kombination hiervon ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper mit der Formgeometrie über ein Verbindungselement verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement ein Kugelgelenk ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgeometrie aus einem weichem, sich an eine Oberfläche eines extrudierten Extrusionsstranges anschmiegendes Material besteht.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug, der Formkörper und/oder die Formgeometrie frei drehbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Drehbarkeit steuerbar ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Temperierungseinrichtung der Formkörper und/oder die Formgeometrie erhitz- und/oder abkühlbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungseinrichtung innerhalb des Formkörpers und/oder der Formgeometrie angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper und/oder die Formgeometrie Aussparungen aufweist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper und/oder die Formgeometrie aus einem wärmeleitenden Material besteht.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Formgeometrie derart strukturiert ist, so dass neben glatten Bauteiloberflächen, alternativ auch, je nach Kundenwunsch, strukturierte Oberflächen, etwa aufgerauhte Oberflächen fertigbar sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug zur Herstellung von Gravuren einsetzbar ist, etwa zur Gravur von Seriennummern oder anderen Kennzeichen in die Oberfläche des Bauteils , indem eine Formgeometrie mit feiner Spitze eingesetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, 14 oder 15 dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Material ein Metall und/oder ein beschichtetes Metall ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese mehrere Formwerkzeuge und/oder Formkörper und/oder Formgeometrien aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Formwerkzeuge und/oder Formkörper und/oder Formgeometrien in einer Trommel- oder Magazinbauweise vorgehalten werden.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug an einem Druckkopf eines 3D-Druckers angeordnet ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug in eine Düse eines Druckkopfes eines 3D-Druckers integriert ist.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Bewegungseinrichtung zur Bewegung des Formwerkzeuges in wenigstens eine Raumrichtung aufweist.
Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche wenigstens eines durch einen 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstranges mit einer Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper des Formwerkzeugs an der Oberfläche des wenigstens einen von einem 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstranges entlanggeführt wird, wodurch eine Glättung der Oberfläche des Extrusionsstranges erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Entlangführen des Formkörpers an dem extrudierten Extrusionsstranges mehrfach durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Formkörpers und/oder der Formgeometrie der wenigstens eine extrudierte Extrusionsstrang erhitzt oder abgekühlt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem durch den 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstranges oder nach jedem Extrusionsstrang oder nach jeder Druckschicht, der Formkörper des Formwerkzeuges an der Oberfläche des wenigstens einen von dem 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstranges entlanggeführt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper des Formwerkzeuges erst nach Herstellung des durch den 3D-Drucker zu bildenden Objektes an die durch den 3D-Drucker extrudierten Extrusionsstränge entlanggeführt wird.