DE102021127824A1 - Device and method for surface treatment - Google Patents
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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.The invention relates to a device and a method for processing a surface of at least one extrusion strand extruded by a 3D printer. Surfaces of objects formed by a 3D printer usually suffer from poor quality. The invention has therefore set itself the task of ensuring improved dimensional accuracy with regard to the tolerances to be maintained and improved surface quality of a printed object formed by a 3D printer , comprising at least one molding tool, solved in that the molding tool has at least one molding, wherein the molding can be brought into contact with the at least one extrusion strand and the surface of the at least one extrusion strand can be processed by means of the molding.
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.The invention relates to a device for processing a surface of at least one extrusion strand extruded by a 3D printer, comprising at least one mold. Furthermore, the invention relates to a method for processing a surface of at least one extrusion strand extruded by a 3D printer using a device according to the invention.
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.Various 3D printing processes are now known from the prior art, including fused filament fabrication, FFF printing process for short, also known as material extrusion processes, selective laser sintering, SLS printing process for short, and stereolithography -Printing process, SLA printing process for short.
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.In the material extrusion process, a thermoplastic material is applied layer by layer using a print head that can be moved relative to the printing platform, ultimately creating a component. The wire-like starting material is melted in the print head, pressed through a nozzle and placed on the print body. The liquid material cools down and solidifies, and the resulting extrusion has a pill-shaped cross-section. The width of this extrusion strand - which is influenced by how much material is extruded per time - is largely responsible for compliance with any component tolerances. Fluctuations in the material extrusion lead to fluctuations in the width of the extrusion strand and ultimately to a deterioration in the component tolerances. The fluctuations can have different causes. For example, fluctuating filament diameters, fluctuating temperatures in the print head or contamination/wear in the nozzle have an impact on component quality. Furthermore, the material properties of the building material used can vary from batch to batch.
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.For these reasons, the tolerances in 3D printing are still significantly worse in direct comparison to ablative processes such as milling or turning. In addition, due to the pill-shaped extrusion strands, the roughness of the surface is unsatisfactory. In order to improve this, it is known from the prior art to select a finer layer height when extruding the extruded strands, although this significantly increases the printing time and thus also the production time of the respective component. There is therefore an optimization conflict between print time and surface quality.
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.Additive manufacturing - i.e. applying layer by layer - using the material extrusion process also has the following relevant disadvantages compared to other conventional removal processes, namely that the geometric tolerances that can be achieved in each case and the achievable surface quality of the printed object are worse than with removal processes. There is also the problem of the so-called staircase effect in connection with the production of bevels in the respective component, whereby this is due to the layered production of the printed object in 3D printing. In addition, the production costs of the respective printed object are significantly influenced by the printing time, the printing time in turn being naturally increased if a rough surface is avoided and the layer height to be extruded is thus reduced.
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.
- https://blog.prusaprinters.org/en/ironing-with-the-prusaslicer-2-3-rcoberflaechen-superglatt-machen_41506/).
Die nachträgliche Bearbeitung eines durch einen 3D-Druckers erzeugten Druckobjektes ist ebenfalls aus dem Stand der Technik vorbekannt. Beispielsweise offenbart die
Weiterhin ist aus dem deutschen Patent
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.Proceeding from this prior art and the problems arising from 3D printing described above, the object on which the invention is based is to ensure improved dimensional accuracy with regard to the tolerances to be maintained and improved surface quality of a printed object formed by a 3D printer.
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.This object is achieved with the aid of a device according to
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 a first aspect, the invention relates to a device for processing a surface of at least one extrusion strand extruded by a 3D printer, comprising at least one mold. The device according to the invention is characterized in that the molding tool has at least one molding. This shaped body can be brought into contact with the at least one extrusion strand, so that the surface of the at least one extrusion strand can be machined by means of the shaped body of the mold. A shaped body can assume any spatial configuration that is suitable for processing a surface. By processing the extruded strand by means of the shaped body, for example, the grooves otherwise present as a result of the extrusion of individual strands between the respective extruded strands can be greatly reduced or almost completely removed. As a result, a significantly smoother surface of the component can be achieved in this case.
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.In an advantageous embodiment, the molding tool has a connecting element to the molding. This makes it possible, among other things, to set the spatial alignment of the shaped body in relation to the mold, but also to enable the changing of shaped bodies on the at least one mold.
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.Furthermore, in an advantageous embodiment, the device provides that the shaped body has at least one shaped geometry. The shape geometry is preferably spherical, conical, cylindrical, square, rectangular, triangular, brush-shaped or a combination thereof. The mold geometry can also be connected to the mold body via a connecting element. The spatial orientation of the mold geometry relative to the mold body can thus be adjusted, but it is also possible to change mold geometries on the at least one mold body. The connecting element that connects the molded body to the mold geometry is preferably a ball and socket joint.
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.In order to be able to ensure gentle processing of the surface of at least one extrusion strand, the device provides in a further advantageous embodiment that the mold geometry is made of a soft material that clings to the surface of the extruded extrusion strand. A material that could come into question for this purpose would be silicone, for example.
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.Since three-dimensional components can ultimately be produced with 3D printing and the current shape or contour of the component to be produced can change with each extruded extrusion strand, the invention proposes for the device that the mold, the mold and/or the mold geometry be free is rotatable. As a result, it can be adapted to almost any contour or surface of the component to be formed. Particularly preferably, the molding tool, the molding and/or the molding geometry can be controlled individually. In this way, the free rotatability that is present in each case can ultimately be controlled individually.
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.Depending on the material used in 3D printing, the extruded strands cool or harden faster or slower or harden. This makes it difficult or impossible to process the surface of the extruded extrusion strand after the extrusion of an extrusion strand. In order to solve this problem, the invention proposes for the device in an advantageous embodiment that the shaped body and/or the mold geometry can be heated and/or cooled by means of a temperature control device. The shaped body that can be brought into contact with the extruded strand or the mold geometry that may be present can thus be removed by the heated or cooled shaped body or--if present--the heated or cooled mold geometry heats or cools the at least one extrusion strand, with the result that subsequent processing is made possible. Thus, on the one hand, an extrusion material that has already solidified can be reheated to such an extent that it can be deformed or reworked again. On the other hand, an extrusion material that is still too liquid can be cooled in such a way that it solidifies after forming or processing.
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.It is conceivable that the temperature control device is, for example, a heating beam source, in particular an infrared laser, with which the shaped body or the shaped geometry can be heated. This would have the significant advantage that, in the case of rotating or freely movable components of the shaped body or the shaped geometry, a complex construction, in particular to avoid twisting of any existing heating cables, can be avoided.
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.In another advantageous embodiment, the temperature control device is arranged inside the mold and/or the mold geometry. In this way, a targeted and possibly punctiform heating or cooling of the molded body and/or the mold geometry and thus ultimately the extrusion strand to be processed can be implemented.
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.In order to save material and thus ultimately weight in the molded body and/or the mold geometry, the invention provides for the device in an advantageous embodiment that the device contains recesses. In particular, recesses on the shaped body that have a temperature control device arranged within the shaped body and/or the mold geometry have proven to be advantageous, since this also allows heat flow into the mold to be minimized or prevented.
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.Furthermore, the invention provides for the device that the shaped body and/or the shaped geometry consists of a thermally conductive material. In this way, for example, short heating and cooling times can be achieved, which in turn can have a positive effect on the printing time. The thermally conductive material is preferably a metal or a coated metal. Depending on the material used, both high thermal conductivity and high surface quality of the molded body or mold geometry can be achieved.
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.So that the shape and contour that changes during the formation of a three-dimensional object can be dynamically adapted, the device provides that it has a plurality of molds and/or mold bodies and/or mold geometries and these are particularly preferably kept in a drum or magazine design . It is also conceivable that the device has a storage container for storing different shaped bodies and/or mold geometries and that the mold can change them automatically.
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.Furthermore, in another advantageous embodiment, the device provides that it is arranged on a print head of a 3D printer. It is conceivable that first an extrusion strand is extruded through the print head of a 3D printer and then the mold of the device is extended at the print head and the extrusion strand previously extruded by the print head is processed with the shaped body of the mold.
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.Alternatively, in a likewise advantageous embodiment, the device could also be integrated into a nozzle of a print head of a 3D printer. Thus, after an extrusion strand has been extruded through the print head, the previously extruded strand could be processed directly with the device according to the invention integrated into the nozzle without any further steps.
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.Furthermore, in another advantageous embodiment, the device provides that it has a movement device for moving the molding tool in at least one spatial direction. If the movement device can be moved in all three spatial directions, i.e. in the XYZ plane, the extrusion strand previously extruded by a print head of a 3D printer can be processed with the device according to the invention independently of a movable printing base plate that is usually present in the 3D printer.
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.In a second aspect, the invention relates to a method for processing a surface of at least one extrusion strand extruded by a 3D printer using a device according to the invention. The method is characterized in that the shaped body of the shaping tool is guided along the surface of the at least one extrusion strand extruded by a 3D printer, as a result of which the surface of the extrusion strand is smoothed.
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. In order to improve the result, ie the smoothing of the surface of the extruded strand, the method provides in an advantageous embodiment that the shaped body is guided along the extruded strand several times. Any unevenness caused by the smoothing process can thus be compensated for.
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.Furthermore, in a further advantageous embodiment, the method provides that after each extrusion strand extruded through the 3D printer, the shaped body of the molding tool is guided along the surface of the extrusion strand, with the shaping preferably being carried out after each printed layer, i.e. only when the respective layer is fully printed. Although it is reasonable to assume that by adding the process step, after each extruded extrusion line or each printed layer, the surface of the extruded extrusion line is first processed by means of the device according to the invention, this would lead to an increase in the printing time and thus to a slowdown in the printing speed.
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.This is also true if nothing is changed in the basic parameters, such as the layer thickness to be extruded. However, the layer thickness is usually selected as small as possible in order to improve the surface quality. However, since the surface quality can be significantly improved with the aid of the device according to the invention, a higher layer thickness can ultimately be selected. As a result, this leads to a significantly faster printing time, even if an additional process step is added.
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.Finally, in a further advantageous embodiment of the method, the shaped body of the shaping tool is guided along the extrusion strands extruded by the 3D printing only after the object to be formed by the 3D printer has been produced.
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.In the case of high-performance plastics, the extrusion strands of the printed object formed usually remain deformable even after the printing process, so that the surface treatment can also be carried out after the printing process has been completed. If, however, the extruded printing material has already solidified, the extrusion strands can be heated by means of a temperature control device, which is preferably arranged inside the shaped body and/or the mold geometry of the mold, whereby the extrusion strands can in turn be deformed and ultimately the surfaces by the shaped body or the mold geometry are editable.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Anwendungsbeispiele näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of several application examples.
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 : a nozzle of a 3D print head and an extrusion strand extruded through the nozzle, -
2 : a 3D printer with a print head and an exemplary embodiment of the device according to the invention, -
3 : the exemplary application of an extrusion strand by a print head to already extruded extrusion strands, -
4 : the exemplary processing of an extruded print layer -
5 : a cross-section of a machined extrusion strand, -
6 : the structure of an exemplary embodiment of a mold, -
7 : different shape geometries, -
8th : exemplary three cases of different surfaces to be processed, -
9 : an unprocessed and a processed print object in cross-section, -
10 : the machining of a thread formed by a 3D printer, as well as -
11 : the machining of a gear formed by a 3D printer.
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.The wire-like starting material is melted in the print head, pressed through a
Ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in
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.In this exemplary embodiment, the 3D printer has, in addition to the
Das Druckverfahren, mit dem in
Der frisch aufgetragene Extrusionsstrang 1 oder die frisch aufgetragene Druckschicht hat dabei die in
Dabei wird der pillenförmige Querschnitt 4 des Extrusionsstranges 1,16, wie in
Ein möglicher Aufbau eines Formwerkzeuges 7 ist in
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.The material of the molded
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.A
Die Formgeometrie eines Formkörpers 23 kann in vielen verschiedenen Varianten ausgeführt sein. Einige Beispiele für verschiedene Formgeometrien eines Formkörpers 23 sind in
Unterschiedliche Formgeometrien, wie in
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.The first example shows the shaping of
Im zweiten Beispiel betrifft es das Formen von schrägen Flächen ohne Überhang 29. Hier liegt die geformte Fläche schräg zur Druckebene, allerdings ohne Überhang.In the second example, it concerns the forming of oblique surfaces without
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.An example would be a tapered cone with the apex pointing upwards. In this case, the shape geometry has a sloping
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.In the third and final example, the molding of sloping surfaces with an
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.An example of a corresponding print object would be a printed cone with the tip pointing down. For this purpose, the mold geometry has an
Um eine schräge Oberfläche, wie im zweiten und dritten Beispiel in
In
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.This process can take place layer by layer or over several layers. It is also conceivable to reshape a
Letztlich zeigt
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.Here, the
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.Thus, a device and a method for processing a surface of at least one extrusion strand extruded by a 3D printer is disclosed above, whereby improved dimensional accuracy with regard to the tolerances to be maintained and improved surface quality of a printed object formed by a 3D printer can be ensured.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Extrusionsstrangextrusion strand
- 22
- Düsejet
- 33
- Schwankungen in der Breite des ExtrusionsstrangesFluctuations in the width of the extrusion strand
- 44
- Pillenförmiger QuerschnittPill-shaped cross-section
- 55
- Breite des ExtrusionsstrangesWidth of the extrusion line
- 66
- Druckkopfprinthead
- 77
- Formwerkzeugmolding tool
- 88th
- Bauteilcomponent
- 99
- Druckplatteprinting plate
- 1010
- Z-Richtung (Z-Achse)Z direction (Z axis)
- 1111
- Trägercarrier
- 1212
- Y-Richtung (Y-Achse)Y direction (Y axis)
- 1313
- X1-Richtung (X1-Achse)X1 direction (X1 axis)
- 1414
- X2-Richtung (X2-Achse)X2 direction (X2 axis)
- 1515
- Bearbeitete ExtrusionssträngeMachined extrusion strands
- 1616
- Oberster ExtrusionsstrangTop extrusion line
- 1717
- Glatte OberflächeSmooth surface
- 1818
- Sollmaßnominal size
- 1919
- Überstehendes Materialexcess material
- 2020
- Rillengrooves
- 2121
- AufnahmeRecording
- 2222
- Temperierungseinrichtungtemperature control device
- 2323
- Formkörpermolding
- 2424
- Aussparungrecess
- 2525
- Formgeometrieshape geometry
- 2626
- Deckflächetop surface
- 2727
- Vertikale FlächenVertical Faces
- 2828
- Vertikale Fläche auf der FormgeometrieVertical face on the shape geometry
- 2929
- Schräge Fläche ohne ÜberhangInclined surface without overhang
- 3030
- Schräge Fläche auf der Formgeometrie auf der UnterseiteInclined surface on the mold geometry on the bottom
- 3131
- Schräge Fläche mit ÜberhangInclined surface with overhang
- 3232
- Schräge Fläche auf der Formgeometrie auf der OberseiteInclined surface on the mold geometry on the top
- 3333
- Zylinderförmige FormgeometrieCylindrical shape geometry
- 3434
- Zylinderförmige Formgeometrie mit FaseCylindrical shape geometry with chamfer
- 3535
- Zylinderförmige Formgeometrie mit RundungCylindrical shape geometry with rounding
- 3636
- Kugelförmige FormgeometrieSpherical shape geometry
- 3737
- Zylinderförmige Formgeometrie mit zwei RundungenCylindrical shape geometry with two curves
- 3838
- Gewindegeometriethread geometry
- 3939
- Formgeometrie für scharfe HinterschnitteShape geometry for sharp undercuts
- 4040
- Zylinderförmige Formgeometrie mit zwei FasenCylindrical shape geometry with two chamfers
- 4141
- Querschnittcross-section
- 4242
- Rillengrooves
- 4343
- Querschnittcross-section
- 4444
- Glatte FlächeSmooth surface
- 4545
- Gewindethread
- 4646
- Zahnradgeometriegear geometry
- 4747
- Zahnradgear
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- DE 102016111047 B3 [0008]DE 102016111047 B3 [0008]
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