DE102021131525A1 - Nozzle device 3D nozzle - Google Patents
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Abstract
Eine Düsenvorrichtung (1), vorzugsweise für 3D-Drucker verfügt über eine Filamentzuführung (2) und eine Filamentführung zu einer Auslassöffnung (4). Die Filamentzuführung (2) mündet in mindestens eine gewundene, vorzugsweise spiralförmige Filamentleitung (3), welche vollständig um eine Mittellinie (7) herumläuft. Die mindestens eine spiralförmige Filamentleitung (3) mündet in eine zentrale Auslassleitung (5) und die Auslassleitung (5) wiederum in die Auslassöffnung (4).A nozzle device (1), preferably for 3D printers, has a filament feed (2) and a filament guide to an outlet opening (4). The filament feed (2) opens into at least one coiled, preferably spiral-shaped filament line (3), which runs completely around a center line (7). The at least one spiral-shaped filament line (3) opens into a central outlet line (5) and the outlet line (5) in turn opens into the outlet opening (4).
Description
Die Erfindung betrifft eine Düsenvorrichtung für 3D-Druck.The invention relates to a nozzle device for 3D printing.
Stand der TechnikState of the art
Beim 3D-Druck handelt es sich um ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Material Schicht für Schicht beziehungsweise nach und nach sukzessive aufgetragen wird, wodurch gemäß einer Vorgabe eines digitalen Modells ein dreidimensionaler Gegenstand erzeugt wird. Das aufgebrachte Material kann aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen (zumeist Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle) bestehen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken, Metalle, Carbon- und Graphitmaterialien.3D printing is an additive manufacturing process in which material is applied layer by layer or gradually one after the other, creating a three-dimensional object based on the specifications of a digital model. The material applied can consist of one or more liquid or solid materials (mostly plastics, synthetic resins, ceramics and metals). During construction, physical or chemical hardening or melting processes take place. Typical materials for 3D printing are plastics, synthetic resins, ceramics, metals, carbon and graphite materials.
3D-Drucker werden vorwiegend für den Bau von Prototypen, bei kleinen Stückzahlen und für Formen, die ansonsten nicht oder kaum herstellbar wären, eingesetzt.3D printers are mainly used for the construction of prototypes, for small quantities and for shapes that would otherwise be impossible or almost impossible to produce.
Beim Fused Deposition Modeling (FDM) handelt es sich um einen 3D-Druck, bei dem ein Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff oder geschmolzenem Metall aufgebaut wird. Bei dem Verfahren werden Gegenstände punkt- oder bahnenweise gedruckt. Drahtförmiges Kunststoff- oder Wachsmaterials wird durch Erhitzung verflüssigt und anschließend durch eine Düse extrudiert und an der gewünschten Position abgekühlt und dabei erstarrt. Die Schichtdicke kann hierbei zwischen 0,025 und 1,25 mm betragen.Fused Deposition Modeling (FDM) is a 3D printing process in which a workpiece is built up layer by layer from a meltable plastic or molten metal. In the process, objects are printed point by point or by line. Wire-shaped plastic or wax material is liquefied by heating and then extruded through a nozzle and cooled at the desired position while solidifying. The layer thickness can be between 0.025 and 1.25 mm.
Als Filament werden Kunststoffe bezeichnet, welche in Drahtform vorzugsweise auf Rollen konfektioniert beim 3D-Druck zum Einsatz kommen. Zumeist kommen gemäß dem Stand der Technik Formwachse und Thermoplaste wie Polyethylen, Polypropylen, Polylactid, ABS und thermoplastische Elastomere zum Einsatz.Filaments are plastics that are used in wire form, preferably on rolls, in 3D printing. According to the state of the art, molding waxes and thermoplastics such as polyethylene, polypropylene, polylactide, ABS and thermoplastic elastomers are usually used.
Konventionelle Düsen beim FDM besitzen einen Kanaleingang mit einem Durchmesser von üblicherweise 1,75 oder 2,85 mm, welcher innerhalb des Werkzeugs mit einer Fase von meist 60° auf einen entsprechenden Austrittsdurchmesser im Bereich von 0,1 mm bis 0,9 mm verjüngt wird.Conventional FDM nozzles have a channel inlet with a diameter of usually 1.75 or 2.85 mm, which is tapered inside the mold with a chamfer of mostly 60° to a corresponding outlet diameter in the range of 0.1 mm to 0.9 mm .
Aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bessere Plastifikation des Extrudats am Düseneingang zu ermöglichen.The object of the invention is to enable better plasticization of the extrudate at the die inlet.
Die Aufgabe wird durch eine Düsenvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Eine Düsenvorrichtung, welche vorzugsweise in 3D-Druckern zum Einsatz kommt, verfügt über eine übliche Filamentzuführung und einer Filamentführung zu einer Auslassöffnung. Die Filamentzuführung mündet in mindestens eine gewundene, vorzugsweise spiralförmige Filamentleitung, welche vollständig um eine Mittellinie herumläuft. Die mindestens eine gewundene, vorzugsweise spiralförmige Filamentleitung führt wiederum in eine zentrale Auslassleitung, welche wiederum in die Auslassöffnung mündet.The object is solved by a nozzle device having the features of
Unter einer gewunden Leitung wird eine Leitung verstanden, welche nicht gerade ist und andererseits bewusst über einen abgerundeten Verlauf über Umwege verläuft.A winding line is understood to mean a line that is not straight and on the other hand deliberately runs over a rounded course via detours.
Hierdurch wird einerseits die Kontaktfläche zwischen dem Filament und der Düsenvorrichtung vergrößert und die Wärmeeinbringung verbessert. Andererseits wird durch die nicht lineare Bewegung das Filament durchmischt und somit die Homogenität verbessert. Hierdurch wird im Vergleich zum Stand der Technik ein homogenerer Temperaturverlauf über den gesamten Querschnitt geschaffen, wodurch die Verarbeitung des Filaments erleichtert wird.On the one hand, this increases the contact surface between the filament and the nozzle device and improves the heat input. On the other hand, the non-linear movement mixes the filament and thus improves the homogeneity. In comparison to the prior art, this creates a more homogeneous temperature profile over the entire cross section, which makes processing the filament easier.
Vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche geschützt.Advantageous configurations are protected by the features of the dependent claims.
Nähert sich die mindestens eine gewundene, vorzugsweise spiralförmige Filamentleitung von der Filamentzuführung zur Auslassleitung sich kontinuierlich der Mittellinie an, so ermöglicht dies eine druckverlustarme Führung.If the at least one winding, preferably spiral-shaped filament line from the filament feed to the outlet line continuously approaches the center line, this enables low-pressure-loss guidance.
Laufen mindestens zwei gewundene, vorzugsweise spiralförmige Filamentleitungen um die Mittellinie herum und münden in die zentrale Auslassleitung, so wird die Kontaktfläche abermals erhöht und zugleich der Druckverlust gemindert.If at least two coiled, preferably spiral-shaped filament lines run around the center line and open into the central outlet line, the contact area is increased again and at the same time the pressure loss is reduced.
Verfügt die zentrale Auslassleitung über den zumindest annähernd den gleichen Durchmesser wie die Summe der gewundenen, vorzugsweise spiralförmigen Filamentleitungen, so ist der Druckverlust besonders gering.If the central outlet line has at least approximately the same diameter as the sum of the wound, preferably spiral-shaped filament lines, then the pressure loss is particularly low.
Verfügt die zentrale Auslassleitung über den zumindest annähernd gleichen Durchmesser wie die Auslassöffnung, so ist der Druckverlust ebenfalls besonders gering.If the central outlet line has at least approximately the same diameter as the outlet opening, then the pressure loss is also particularly low.
Ist die Düsenvorrichtung mit einer Heizvorrichtung verbunden, so kann von dieser Wärme auf das Filament übertragen werden.If the nozzle device is connected to a heating device, heat can be transferred from this to the filament.
Die Düsenvorrichtung wird selbst in bevorzugter Ausgestaltung im 3D-Druck hergestellt werden.In a preferred configuration, the nozzle device itself will be produced by 3D printing.
Die Düsenvorrichtung wird bevorzugt zum Herstellen von Fensterprofilen inklusive deren Zubehörteile verwendet. Hierdurch lassen sich einerseits komplexe Bauteile, welche nicht oder nur schwer im Strangpressverfahren herstellbar sind, produzieren. Andererseits können kleine Stückzahlen wirtschaftlich hergestellt werden.The nozzle device is preferably used for the production of window profiles including their accessories. On the one hand, this makes it possible to produce complex components that cannot be produced, or can only be produced with difficulty, using the extrusion process. On the other hand, small quantities can be produced economically.
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Düsenvorrichtung in der Draufsicht, -
2 ein Temperaturprofil in einer Düsenvorrichtung gemäß dem Stand der Technik, -
3 ein Temperaturprofil in einer erfindungsgemäßen Düsenvorrichtung und -
4 die erfindungsgemäße Düsenvorrichtung aus1 im Schnitt.
-
1 a nozzle device according to the invention in plan view, -
2 a temperature profile in a nozzle device according to the prior art, -
3 a temperature profile in a nozzle device according to the invention and -
4 the nozzle device according to theinvention 1 on average.
Die
Tg ist hierbei die Glasübergangstemperatur, dies ist eine Temperatur, bei welcher der Feststoff in eine Schmelze übergeht. Die Temperaturen T1 und T2 sind Heiztemperaturen. Bei der Heiztemperatur T1 befindet sich der Kunststoff in der gesamten Filamentleitung 3 in einem Schmelzezustand. Bei der niedrigeren Heiztemperatur T2 befindet sich der Kunststoff im Kern der Filamentleitung 3 noch in einem Festkörperzustand.T g is the glass transition temperature, this is a temperature at which the solid goes into a melt. The temperatures T 1 and T 2 are heating temperatures. At the heating temperature T 1 , the plastic is in a molten state throughout the
Bei einer erfindungsgemäßen Düsenvorrichtung 1 ist - wie aus
Der kleine Abstand der Mitte der Filamentleitungen 3 zu dem Material des Düsenvorrichtung 1 und die Durchmischung durch den Drall in den Filamentleitungen 3 lassen das Temperaturprofil gleichmäßiger erscheinen. Bei einer Heiztemperatur T3, welche nochmals niedriger ist als die Heiztemperatur T2 befindet sich der Kunststoff im Kern der Filamentleitung 3 in einem Festkörperzustand.The small distance between the center of the
Wenn sich der Kern des Filaments in einem Festkörperzustand und der Randbereich in einem flüssigen Zustand befindet, erstarrt das Filament rasch nach dem Verlassen der Düsenvorrichtung 1. Ist hingegen der Kern in der Schmelze, so besteht die Gefahr, dass es bis zum Erstarren noch zu Formveränderungen durch die Schwerkraft, welche auf das Filament wirkt, kommt. Die Temperatur hat demzufolge einen wesentlichen Einfluss auf den Volumenstrom und die Verarbeitungsgeschwindigkeit.If the core of the filament is in a solid state and the edge region is in a liquid state, the filament solidifies quickly after leaving the
Bei Kunststoffe wie Polyethylenterephthalat (PET) oder Polylactide (PLA) erfolgt der 3D-Druck bei Anwendungstemperaturen um 210 °C. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Nylon erfordern eine Verarbeitungstemperatur von etwa 250 °C. Polyetheretherketon (abgekürzt PEEK) kann im 3D-Druck bei Temperaturen bis zu 400°C verarbeitet werden.In the case of plastics such as polyethylene terephthalate (PET) or polylactide (PLA), 3D printing takes place at application temperatures of around 210 °C. Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) and Nylon require a processing temperature of around 250°C. Polyetheretherketone (PEEK for short) can be processed in 3D printing at temperatures of up to 400°C.
Um die spiralförmige Filamentleitungen 3 in die erfindungsgemäße Düsenvorrichtung 1 integrieren zu können, wird die Düsenvorrichtung 1 selbst im 3D-Druck hergestellt, Die Fertigung erfolgt aus zwei Segmenten. Das Werkzeug wird mit Hilfe der SLM-Technologie aus Metall gedruckt und anschließend bei Bedarf konventionell nachbearbeitet; im Idealfall ist die Düsenvorrichtung 1 ohne jegliche Nachbehandlung einsatzfähig. Erst die additive Fertigung ermöglicht eine wirtschaftliche Fertigung der Kanäle am Düsenausgang.In order to be able to integrate the spiral-shaped
Beim Betrieb der Düsenvorrichtung 1 wird Filament der Filamentzuführung 2 zugeführt und über die Heizvorrichtung des 3D-Druckers erhitzt. Das weiche Filament wird in die spiralförmigen Filamentleitungen 3 aufgeteilt. Durch die kleinen Leitungsdurchmesser wird über den gesamten Querschnitt ein relativ homogenes Temperaturniveau erreicht. In der Auslassleitung 5 wird das Filament wieder zusammengeführt und gelangt von dort in die Auslassöffnung 4, von wo das Filament zum Druckvorgang aus der Düsenvorrichtung 1 gelangt.During operation of the
Mit einer erfindungsgemäßen Düsenvorrichtung 1 können unter anderem komplexe Fensterprofilen und deren Zubehörteile hergestellt werden. Die Anwendung ist jedoch nicht auf den Fensterbau beschränkt.With a
Auch ist der 3D-Druck mit der erfindungsgemäßen Düsenvorrichtung 1 nicht auf den 3D-Druck von Kunststoff beschränkt.3D printing with the
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Düsenvorrichtungnozzle device
- 22
- Filamentzuführungfilament feeder
- 33
- spiralförmige Filamentleitungspiral filament line
- 44
- Auslassöffnungexhaust port
- 55
- Auslassleitungoutlet line
- 66
- Gewindethread
- 77
- Mittelliniecenterline
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- EP 3445568 A1 [0007]EP 3445568 A1 [0007]
- DE 102015111504 A1 [0008]DE 102015111504 A1 [0008]
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