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.
The solution to this problem is, among other things, already known from the prior art, with the help of a so-called “ironing” function, i.e. “ironing” function of any printing programs, also called “slicer” programs, the uppermost extrusion strand extruded by the 3D printer "iron flat" through the underside of a print nozzle on a 3D printer. Although the processing of the upper surface of an extruded strand by the printing nozzle of the 3D printer works very well, the application is limited to the horizontal layer, i.e. the XY plane. This procedure is for example in the article "Ironing - Make surfaces super smooth with PrusaSlicer 2.3 (RC)" (URL:
  • 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 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.Subsequent processing of a printed object produced by a 3D printer is also known from the prior art. For example, the CN 105773970A a hybrid machine that combines 3D printing with a machining manufacturing device, here milling. Here, the outer contour of a printed extrusion strand is milled to size by a milling cutter, with this process being repeated for each newly extruded extrusion strand. However, this method only works for materials that cool down quickly. The process described here is therefore not suitable for high-performance plastics, which usually do not cool down quickly and would therefore still be tough and soft during milling. In addition, the extrusion strand is already extruded with excess to compensate for the loss of material due to subsequent milling. Ultimately, more material is required here than with conventional 3D printing and a lot of material is lost in the form of chips.

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.Furthermore, from the German patent DE 10 2016 111 047 B3 a method and a system for the combined additive and forming production of a metallic shaped body are already known. It is more or less a 3D printing process for metallic materials, in which both the production of the metallic printed object and the forming to improve the surface roughness are carried out in one manufacturing process. This is achieved in that, after a deposited and solidified layer has melted, it is shaped using a shaping tool that includes at least two rollers in accordance with geometry description data by guiding the at least two rollers laterally along the deposited layer.

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 claim 1 in force. Furthermore, the object is achieved by the independent method claim 22. Advantageous configurations of the invention can be found in the dependent claims.

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.
It shows:
  • 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.

1 zeigt eine Düse 2 eines Druckkopfes eines 3D-Druckers und einen durch diese Düse 2 extrudierten Extrusionsstranges 1. 1 shows a nozzle 2 of a print head of a 3D printer and an extrusion strand 1 extruded through this nozzle 2.

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 nozzle 2 and the extrusion strand 1 formed in this way can be placed on a printed object 8 . The liquid material cools down, solidifies and the resulting extrusion strand 1 has a pill-shaped cross section 4. The width 5 of this pill-shaped extrusion strand 1, which is determined 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 3 of the extrusion strand 1 and thus to a deterioration in the component tolerances. This problem is to be solved with the aid of the device according to the invention and the method according to the invention.

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.An exemplary embodiment of the device according to the invention is shown in 2 shown. This shows an exemplary and simplified representation of a 3D printer that has a device according to the invention.

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 conventional print head 6, a mold 7 with which the surface of at least one extrusion strand 1 can be reworked. The printed object 8 is seated here on a printing plate 9 which is driven in the Z-direction 10 can be. The carrier 11 can be driven in the Y direction 12 . The print head 6 and the forming tool 7 can be controlled independently of one another in the X direction. The print head thus has its own X1 axis 13 and the forming tool has its own X2 axis 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.The printing process used in 2 3D printer shown, can be as follows. First, as in 3 shown, an extrusion line 1 is extruded with the print head 6 of the 3D printer onto existing extrusion lines of a printed object 8 . The molding tool 7 is in a parking position and is not necessarily involved in this phase.

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.The freshly applied extrusion strand 1 or the freshly applied print layer has the in 1 shown, classic pill shape and protrudes slightly over the already processed extrusion strands 15 out. Once the top extrusion line 16 or the print layer has been completely extruded, the print head 6 moves to its parking position and the second phase follows, which 4 is shown.

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. 4 shows how the mold 7 travels the outer contour of the top extrusion strand 16. The exterior of the uppermost extrusion strand 16 is shaped by the mold 7 to a desired nominal size 18, as shown in FIG 5 shown, formed, whereby a smooth surface 17 is formed.

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.Here, the pill-shaped cross section 4 of the extrusion strand 1.16, as in 5 shown, deformed. The rounding of the pill-shaped cross section 4 is formed into a straight line. The protruding material 19 is pressed into the grooves 20 formed between the extrusion strands. Furthermore, it is possible to process the cover surfaces 26 of a printed object or of an uppermost extrusion strand 16, ie in the XY plane, with the underside of the mold 7.

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.A possible design of a mold 7 is shown in 6 shown. The mold 7 consists here essentially of three components, a receptacle 21, a temperature control device 22 and a shaped body 23. The receptacle 21 serves as a connecting element between the shaped body 23 and the mold 7. The shaped body 23 can have the temperature control device 22 located inside the shaped body 23 is located can be set to a desired temperature. The shape geometry 25 of the shaped body 23 is responsible for shaping the surface of the printed object 8 and therefore has a high surface quality with tight manufacturing tolerances. In the simplest case, however, the shape geometry 25 can be designed as a simple cylinder, see cylindrical shape geometry 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.The material of the molded body 23 and the mold geometry 25 can consist of a material with a high thermal conductivity coefficient in order to be able to quickly transport the heat through the molded body or the mold geometry into the plastic during heating or to be able to quickly dissipate the heat from the plastic during cooling. It is also conceivable here to implement a combination of several materials, for example by means of a coating.

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 few recesses 24 are present in the shaped body 23 in order to reduce the cross section above the temperature control device 22 . This has the advantage that the flow of heat into the receptacle 21 can be minimized.

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.The shape geometry of a shaped body 23 can be designed in many different variants. Some examples of different mold geometries of a mold 23 are shown in 7 shown. These are a cylindrical shape geometry 33, a cylindrical shape geometry with a chamfer 34, a cylindrical shape geometry with a curve 35, a spherical shape geometry 36, a cylindrical shape geometry with two curves 37, a shape geometry for threads 38, a shape geometry for sharp undercuts 39 and a cylindrical form geometry with two chamfers 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.Different shape geometries, as in 7 shown can be selected depending on the application. In order to be able to better demonstrate the need for different mold geometries for a mold body 23, this is illustrated using three examples that are shown in 8th are shown, explained in more detail.

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 vertical surfaces 27. In this case, the shaped surface is perpendicular to the printing plane, ie vertical. For this case, a likewise vertical surface 28 on a mold geometry is 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.In the second example, it concerns the forming of oblique surfaces without overhang 29. Here the formed surface is at an angle to the printing plane, but without overhang.

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 chamfer 30 on the lower edge. Without this chamfer 30, sloping surfaces of a printed object could only be approximated by “stairs”.

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 overhang 31 is shown. The situation here is similar to the second example, but in a mirrored version.

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 inclined chamfer 32 on the upper edge.

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.To create a sloping surface, as in the second and third example in 8th shown, to be able to reproduce perfectly, theoretically a suitable form geometry would be required for each angle. However, in order to avoid a large number of tools, the bevels can also be easily replaced by round shape geometries 35, 36, 37, as in 7 shown, approximate. Depending on the angle of the bevel to be processed, other areas of the rounding of the mold geometry 35, 36, 37 are used for the molding. The cylindrical form geometry 33 would be well suited, for example, for a printed object that only has vertical and horizontal surfaces. The thread geometry 38, on the other hand, is primarily suitable for reshaping threads formed by means of 3D printing, as shown in 10 shown.

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.In 9 shows the difference between a printed object with and without post-processing by a shaped body 23 . The upper figure shows a cross section 41 of a printed object with several extrusion strands without the corresponding post-processing. The strongly developed grooves 42 between the extrusion strands can be seen, which lead to poor surface quality. The figure arranged below shows a cross section 43 of a printed object with post-processing according to the invention. From this, a strong reduction of the grooves 42 can be seen without further ado, as a result of which a smooth surface 44 can ultimately be achieved.

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. 10 shows a thread geometry 38 of a molded body 23 for machining a thread 45 formed by a 3D printer. The thread geometry 38 is ultimately a negative form of a thread flank. The thread 45 formed by 3D printing can thus be reshaped by means of the thread geometry 38 of the forming tool 7 by means of a helical travel path of the forming tool 7 .

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 complete thread 45 produced by a 3D printer in a downstream process. The machining can be done for both external and internal threads.

Letztlich zeigt 11 die Bearbeitung eines durch einen 3D-Drucker gebildeten Zahnrads 47 mit einer speziellen Zahnradgeometrie 46.ultimately shows 11 the processing of a gear 47 formed by a 3D printer with a special gear geometry 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.Here, the gear wheel geometry 46 has a special counter-shape of a gear wheel. For the machining of the gear formed by a 3D printer, each tooth of the gear with the gear geometry 46 is gradually removed. Since the gear wheel geometry 46 must always be correctly aligned with the printed gear wheel 47 here, the gear wheel geometry 46 can be controlled to rotate about the Z axis. The processing can also be carried out layer by layer or over several layers. The gear wheel geometry 46 can include several gear wheel geometries. Depending on what kind of gear is to be produced using 3D printing, the appropriate gear shape in the gear geometry 46 can always be selected by rotating the shaped body 23 or the gear geometry 46 .

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

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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

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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.Device for processing a surface of at least one extrusion strand extruded by a 3D printer, comprising at least one molding tool, characterized 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 by means of the molding the surface of the at least an extrusion strand is editable. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug ein Verbindungselement zur Verbindung des Formkörpers mit dem Formwerkzeug aufweist.device after claim 1 , characterized in that the mold has a connecting element for connecting the molded body to the mold. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper wenigstens eine Formgeometrie aufweist.device after claim 1 or 2 , characterized in that the shaped body has at least one shape geometry. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgeometrie kugelförmig, kegelförmig, zylindrisch, quadratisch, rechteckig, dreieckig, bürstenförmig oder eine Kombination hiervon ist.device after claim 3 , characterized in that the shape geometry is spherical, conical, cylindrical, square, rectangular, triangular, brush-shaped or a combination thereof. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper mit der Formgeometrie über ein Verbindungselement verbunden ist.device after claim 3 or 4 , characterized in that the shaped body is connected to the mold geometry via a connecting element. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement ein Kugelgelenk ist.device after claim 5 , characterized in that the connecting element is a ball joint. 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.Device according to at least one of claims 3 until 6 , characterized in that the mold geometry consists of a soft material which clings to a surface of an extruded extrusion strand. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug, der Formkörper und/oder die Formgeometrie frei drehbar ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the mold, the mold and/or the mold geometry is freely rotatable. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Drehbarkeit steuerbar ist.device after claim 8 , characterized in that the free rotation is controllable. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Temperierungseinrichtung der Formkörper und/oder die Formgeometrie erhitz- und/oder abkühlbar ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the shaped body and/or the mold geometry can be heated and/or cooled by means of a temperature control device. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungseinrichtung innerhalb des Formkörpers und/oder der Formgeometrie angeordnet ist.device after claim 10 , characterized in that the temperature control device is arranged within the shaped body and/or the mold geometry. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper und/oder die Formgeometrie Aussparungen aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the shaped body and/or the shaped geometry has recesses. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper und/oder die Formgeometrie aus einem wärmeleitenden Material besteht.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the shaped body and/or the shaped geometry consists of a heat-conducting material. 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.Device according to at least one of the preceding Claims 1 - 12 , characterized in that the surface of the mold geometry is structured in such a way that, in addition to smooth component surfaces, alternatively, depending on customer requirements, structured surfaces, such as roughened surfaces, can be produced. 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.Device according to at least one of the preceding Claims 1 - 12 , characterized in that the molding tool can be used to produce engravings, such as engraving serial numbers or other identifiers into the surface of the component, by using a fine-tipped mold geometry. Vorrichtung nach Anspruch 13, 14 oder 15 dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Material ein Metall und/oder ein beschichtetes Metall ist.device after Claim 13 , 14 or 15 characterized in that the thermally conductive material is a metal and/or a coated metal. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese mehrere Formwerkzeuge und/oder Formkörper und/oder Formgeometrien aufweist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that it has several molding tools and/or moldings and/or molding geometries. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Formwerkzeuge und/oder Formkörper und/oder Formgeometrien in einer Trommel- oder Magazinbauweise vorgehalten werden.device after Claim 17 , characterized in that the plurality of molding tools and/or moldings and/or molding geometries are kept in a drum or magazine design. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug an einem Druckkopf eines 3D-Druckers angeordnet ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the forming tool is arranged on a print head of a 3D printer. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug in eine Düse eines Druckkopfes eines 3D-Druckers integriert ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the molding tool is integrated into a nozzle of a print head of a 3D printer. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Bewegungseinrichtung zur Bewegung des Formwerkzeuges in wenigstens eine Raumrichtung aufweist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that it has a movement device for moving the molding tool in at least one spatial direction. 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.Method for processing a surface of at least one extruded strand extruded by a 3D printer with a device according to claims 1 until 21 , characterized in that the shaped body of the mold is guided along the surface of the at least one extruded strand extruded by a 3D printer, whereby a smoothing of the surface of the extruded strand is achieved. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Entlangführen des Formkörpers an dem extrudierten Extrusionsstranges mehrfach durchgeführt wird.procedure after Claim 22 , characterized in that the shaped body is guided along the extruded strand several times. 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.procedure after Claim 22 or 23 , characterized in that the at least one extruded strand is heated or cooled by means of the shaped body and/or the mold geometry. 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.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that after each extrusion strand extruded through the 3D printer or after each extrusion strand or after each pressure layer, the shaped body of the molding tool is guided along the surface of the at least one extrusion strand extruded by the 3D printer. 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.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the shaped body of the shaping tool is guided along the extrusion strands extruded by the 3D printer only after the object to be formed by the 3D printer has been produced.
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