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Die vorliegende Erfindung betrifft eine formgebende Öffnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein System für strangablegende Fertigungsverfahren, vorzugsweise thermoplastischer Materialien, zur Herstellung großvolumiger Bauteile.
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Hintergrund
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Eine kostengünstige und wirtschaftliche Herstellung von großvolumigen Kunststoffbauteilen, mit einem Volumen ab ca. 0,1 m3, welche einen hohen Individualisierungsgrad aufweisen, ist in geringen Losgrößen mit konventionellen Methoden, wie z.B. Spritzguss- oder Extrusionsverfahren eine große wirtschaftliche Herausforderung.
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Dieser Herausforderung steht die Entwicklung und der Fortschritt additiver Fertigungsverfahren entgegen. Insbesondere die Kommerzialisierung von additiven Schmelzeaustragsverfahren zeigen technologische Ansätze zur wirtschaftlichen Nutzung für großvolumige Kunststoffbauteile auf.
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Grundlegende Technologie von additiven Schmelzeaustragsverfahren ist das Aufschmelzen eines Materials im Bereich einer Düse, vorzugsweise hinter der Düse, mit anschließendem extrudieren des Materials über die Düse. Hierbei bewegt sich die Düse auf definierten Bahnen in einer Ebene über eine darunter liegende, parallele Schicht hinweg und legt dabei einen durch die Öffnung der Düse ausgebrachten Materialstrang ab. Nach Beendigung einer Schicht wird die Düse um eine kleine Wegstrecke orthogonal zur Ebene versetzt. Im Anschluss wird eine weitere Schicht ausgebracht. Die ausgebildeten Schichten verschmelzen miteinander und bilden nach Beendigung des Vorgangs eine Bauteilgeometrie aus.
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Für großvolumige Fertigungsverfahren, welche zudem einen hohen Materialdurchsatz aufweisen, wurde der Begriff „Large Area Additive Manufacturing“ (LAAM) geprägt.
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Stand der Technik
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Derzeit werden für additive Schmelzeaustragsverfahren Extruderdüsen-Öffnungen mit rundem Querschnitt verwendet. Dabei betragen Durchmesser der Öffnungen für herkömmliche additive Schmelzeaustragsverfahren ca. 0,1 mm bis 1,0 mm. Um einen ausreichenden Materialaustrag zu gewährleisten sind für LAAM-Fertigungsverfahren Öffnungen von ca. 1,0 mm - 30,0 mm üblich.
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Für die exakte Abbildung vorgegebener Bauteilgeometrien ist eine schnelle Stabilisierung des verflüssigten Materialstrangs direkt nach dem Austrag notwendig. Bei kleinen Querschnitten ist es aufgrund des kleinen Strangvolumens ausreichend, den ausgetragenen Strang an der Umgebungsluft abkühlen zu lassen.
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Bei großen Extruderdüsen-Durchmessern führt der Temperaturunterschied zwischen Material und Umgebungsluft zu Problemen bei der Schichtanhaftung und Abbildungsgenauigkeit, da der ausgetragene Strang aufgrund des großen Volumens länger plastisch ist, dies kann zur Verformung z.B. Aufwölben des abgelegten Strangs auf der darunterliegenden Schicht führen.
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Bei runden Strangquerschnitten bildet der obere Bereich des Strangs, welche zugleich die Ablagefläche für die nachfolgende Schicht ist, eine gewölbte Oberfläche aus. Nachteilig dabei ist, dass die gewölbte Oberfläche keine Ausreichende Haftung zwischen den Schichten ausbildet. Rauhe Bauteiloberflächen, Schichttrennung und/oder -spaltung sind die Folgen.
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Ein weiterer Nachteil bei runden Düsenausgangsöffnungen ist, dass insbesondere große Strangquerschnitte zu einem inhomogenen Abkühlverhalten und damit zu Verzug und mangelnder Maßhaltigkeit der Bauteilgeometire führen.
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Aufgabe
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Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, eine Lösung zur additiven Fertigung, vorzugsweise thermoplastischer Materialen, aufzuzeigen, welche gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Haftung im Bereich der Schichtgrenzen bereitstellt. Darüber hinaus soll eine homogenere Abkühlung des erstarrenden Materials und damit eine verbesserte Maßhaltigkeit derart hergestellter Bauteile erzielt werden. Es soll eine formgebende Öffnung bereitgestellt werden, welche sowohl die Nachteile des Stand der Technik behebt, als auch eine Alternative zum Stand der Technik darstellt.
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Lösung
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine formgebende Öffnung, angeordnet an einer Düse gelöst, wobei die Düse mindestens eine die Düse durchlaufende Durchdringung aufweist, und die mindestens eine Durchdringung mindestens einen Eintrittsbereich und mindestens einen damit verbundenen Austrittsbereich aufweist, die Düse mit einem Düsenkorpus verbindbar und/oder die Düse als Teil des Düsenkorpus ausgebildet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die formgebende Öffnung an einer Düse angeordnet sein und bewirkt ein teilweise- oder vollständiges Aufschmelzen eines zuführbaren Materials, welches über die formgebende Öffnung ausbringbar ist.
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Vorteilhaft kann das, der Düse zugeführte Material erwärmt werden, bis das Material einen teilweise- oder vollständig aufgeschmolzenen Zustand erreicht oder es wird bereits vor der Düse plastifiziertes Material im Schmelzezustand bereitgestellt, wobei die teilweise- oder vollständig aufgeschmolzenen Phase in einem Bereich zwischen 120 °C bis 450 °C, vorteilhaft zwischen 150 °C bis 275 °C und besonders vorteilhaft zwischen 185 °C bis 240 °C liegt.
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Um einen idealen Wärmeübergang zu erzielen, kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Düse und der Düsenkorpus einteilig ausgebildet sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bilden der Düsenkorpus und die Düse eine Extrusionsdüse aus. Vorteilhaft kann die Düse als Blende ausgeführt sein. Durch die Verwendung einer Blende kann die Düse z.B. mit einer anderen formgebenden Öffnung schnell und einfach montiert und/oder demontiert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Düse als Muffe ausgeführt sein, und am unteren Ende des Düsenkorpus anordenbar sein. Vorteilhaft kann dadurch der Wärmeeintrag vom Düsenkorpus auf die Düse erhöht werden.
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In einer vorteilhafter Ausgestaltung nach Patentanspruch 2 ist vorgesehen, dass die formgebende Öffnung die Kontur, ähnlich eines Sterns oder einer Blume besitzt, wobei der Stern oder die Blume eine beliebige Anzahl, vorteilhaft sechs bis zwölf, Zacken besitzt. Durch die Ausbildung der Zacken oder der Kontur einer Blume wird der ausgebrachte Strang zu seiner Strangmitte eingekerbt. Dies erzeugt zum einen eine größere Außenoberfläche, was dazu führt, dass der Strang schneller abkühlt. Außerdem wird der Strang zugleich in seiner Mitte abgekühlt und beim Auflegen auf die unter dem Strang befindlichen Schicht wird eine geringere plastische Verformung erreicht, da der Strang bereits zum Teil erstarrt ist, wenn er auf der unteren Schicht aufliegt. Zugleich bilden die Zacken während des Austragens auf der erstarrenden Oberfläche des Materialstrangs Riefen aus, diese beschleunigen das Erstarren des ausgetragenen Materialstrangs.
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In einer vorteilhafter Ausgestaltung nach Patentanspruch 3 ist vorgesehen, dass die Kontur in jede Richtung nahezu die selbe Ausdehnung, ausgehend von der Mitte der mindestens einen Austrittsöffnung aufweist. Damit wird unabhängig von der Strangablagerichtung der Extrusionsdüse eine gleichbleibende Materialstrangbreite ausgetragen. Damit kühlt der ausgebrachte Strang gleichmäßig ab und vom Kern des Strangs wird die Wärme abgeführt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sich die Ausklinkungen der Zacken bis zu einem Bereich, nahe des Zentrum der mindestens einen formgebenden Öffnung erstrecken.
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In vorteilhafter Ausgestaltung nach Patentanspruch 4 ist vorgesehen, dass die Kontur der mindestens einen Austrittsöffnung, angeordnet an dem mindestens einen Austrittsbereich der mindestens einen Durchdringung, die formgebende Öffnung ausbildet.
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In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung können an einem Düsenkorpus mehrere Düsen angeordnet sein, oder es können an einem Düsenkorpus mehreren Eintrittsbereichen angeordnet sein. Die ist von Vorteil, da verschiedene Materialien parallel zu gleichartigen Bauteilgeometrien verarbeitet oder eine Bauteilgeometrie aus verschiedenen Materialien herstellt werden können.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 5 bilden die Innenflächen des mindestens einen Austrittsbereich mindestens eine Stabilisierungsstrecke aus.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Austrittsbereich einer Stabilisierungsstrecke einem Eintrittsbereich zugeordnet sein kann, um einen hohen Individualisierungsgrad des Fertigungssystems zu erzielen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens einem Eintrittsbereich mehrere Stabilisierungsstrecken oder Austrittsbereiche zugeordnet sind. Dies ist besonders von Vorteil, um parallel gleichartige Bauteilgeometrien fertigen zu können.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 6 ist vorgesehen, dass die mindestens eine Stabilisierungsstrecke mindestens ein Profil aufweist, das, ausgehend von der mindestens einen Umformzone bis zu dem mindestens einen Austrittsbereich fortgesetzt ist, wobei das mindestens eine Profil eine nicht konvexe Polygonkontur und/oder ein konvexe Polygonkontur aufweist.
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Die Kontur des Polygons kann vorteilhaft so gewählt sein, dass die konturgebenden Polygone, der „Stern-Kontur“ feingliedrig ausgeprägt sind, um den Kern des auszubringenden Materialstrangs bevorzugt zu kühlen. Im Bereich kurz nach dem Austritt aus der formgebenden Öffnung, umschließen die feingliedrigen Materialausprägungen den Kern des Materialstrangs, aufgrund der eigenen Instabilität des teilweise- oder vollständig aufgeschmolzenen Materials und kühlen diesen zusätzlich.
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In vorteilhafter Ausgestaltung weist die mindestens eine Stabilisierungsstrecke eine große Oberfläche im Bereich des mindestens einen Austrittsbereich auf, um das ausbringbare Material zu kühlen. Um eine besonders große Oberfläche zu erlangen, kann die Kontur der formgebenden Öffnung als fraktale Kontur ausgebildet sein, z.B. als Iteration der „Koch-Kurve“.
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In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der mindestens einen Stabilisierungsstrecke können, zusätzlich zur nicht- und/oder konvexen Polygonkontur der formgebenden Öffnung, im Bereich des mindestens einen Austrittsbereichs Stege angeordnet sein, welche die mindestens eine Stabilisierungstrecke durchdringen. Weiter vorteilhaft kann im Bereich der mindestens einen Stabilisierungsstrecke eine Voronoi-Struktur angeordnet sein, welche Teil der Düse und/oder des Düsenkorpus sind, um die Kühlfläche im Bereich der mindestens einen Austrittsöffnung zu erhöhen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann entlang der mindestens einen Stabilisierungsstrecke das Profil mindestens einmal wechseln, z.B. von einem „Sternprofil“ in ein „Blumenprofil“ vorteilhaft, um in jedem Bereich innerhalb der Düse und/oder dem Düsenkorpus die Temperatur des auszutragenden Materials in einem idealen Bereich zu halten.
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Vorteilhaft kann die relative Rotation der konturierten formgebenden Öffnung in Kantenbereichen der Bauteilgeometrie zu einem „verdrillen“ des ausgetragenen Materialstrangs führen. Dadurch wird eine makroskopisch glatte, mikroskopisch strukturierte Oberfläche erzeugt, welche vorteilhaft auskühlt und als Ablagefläche für die nächste Schicht dient. Weiter vorteilhaft können aufgrund des „verdrillen“ und der daraus resultierenden strukturierten Oberfläche Spannungen im Material vermieden und eine exakte Bauteilgeometrie erstellt werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 7 weist der mindestens eine Eintrittsbereich, der mindestens einen Durchdringung, der Düse mindestens eine Umformzone auf, wobei die Umformzone als Verjüngung ausgebildet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Übergänge des mindestens einen Eintrittsbereichs und/oder der mindestens einen Umformzone und/oder des mindestens einen Austrittsbereichs stetig ineinander übergehen. Vorteilhaft führt dies zu einer laminaren Strömung und dadurch zu einer eigenspannungsarmen Umformung und/oder einer homogenen Schmelze des auszutragenden Materials.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Durchmesser des mindestens einen Eintrittsbereichs gleich dem Durchmesser des mindestens einen Austrittsbereichs sein. Vorteilhaft lässt sich mit dieser Ausführform der austragbare Material-Volumenstrom erhöhen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 8 ist die mindestens eine Stabilisierungsstrecke ausgehend von dem mindestens einen Austrittsbereich nahezu über die gesamte Länge der mindestens einen Durchdringung ausgebildet.
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Vorteilhaft bei derartiger Ausführung kann es sein, dass Eigenspannungen, welche sich im auszubringenden Material aufgrund der mindestens einen Umformzone ausbilden, gerichtet werden können. Geringe Materialspannungen des teilweise aufgeschmolzenen Materials oder eine homogene Schmelze des vollständig aufgeschmolzenen Materials führen zu einem sauber ablegbaren Materialstrang und zu einer besseren Maßhaltigkeit der Bauteilgeometrie.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung kann die mindestens eine Stabilisierungsstrecke kurz ausgebildet sein, vorteilhaft ist dabei, dass die Bauhöhe der Extruderbaugruppe abnimmt, und somit der Bauraum effektiver genutzt werden kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 9 ist um den mindestens einen Bereich der mindestens einen Austrittsöffnung eine Fläche bis zur Mantelfläche der Düse ausgebildet, um das ausgebrachte Material flächig an die bereits gefertigte Bauteilgeometrie anzupressen und/oder um das ausgebrachte Material mit einer darunter liegenden Schicht, aufgrund des zusätzlichen Wärmeeintrags zu verbinden oder zu verschmelzen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann um den Bereich der mindestes einen Austrittsöffnung eine Fase angeordnet sein, um überschüssige Materialanhaftungen im Bereich der mindestens einen Austrittsöffnung zu vermeiden, oder um überschüssige Materialanhaftungen an der bereits abgebildeten Bauteilgeometrie zu vermeiden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 10 bestehen die Düse und/oder der Düsenkorpus aus einem thermisch leitenden Material, um das ausbringbare Material in einen teilweise- oder vollständig aufgeschmolzenen Zustand zu halten, wobei das Material eine Kupferlegierung oder ein Werkzeugstahl, vorteilhaft der Gruppe 316L, ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Düse und/oder der Düsenkorpus aus einer gehärteten Stahllegierung bestehen, besonders vorteilhaft ist ein hochlegierter Werkzeugstahl um Beschädigungen, durch faserverstärkte und/oder hochgefüllte, ausbringbare Materialien zu verhindern.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Fertigungssystems nach Patentanspruch 11, weist das Fertigungssystem mindestens eine formgebende Öffnung, mehrere Achsführungen, mindestens eine Extruderbaugruppe bestehend aus, einer Steuereinheit, sowie mindestens einem Material und mindestens einen, dem mindestens einem Material zugeordneten Materialzuführung und mindestens einem Materialvorrat auf, wobei
- - das Fertigungssystem mehreren Achsführungen aufweist, wobei die mindestens einen erste Achsführung, die mindestens eine zweite Achsführung sowie die mindestens eine dritte Achsführung einen Bauraum aufspannen, der durch mindestens eine Baufläche begrenzt ist, und
- - die mindestens eine Extruderbaugruppe mit den mehreren oder zumindest mit einer Achsführungen verbunden ist, dass die mindestens eine Extruderbaugruppe zu jedem Punkt im Bauraum führbar ist, und
- - die mindestens eine Extruderbaugruppe in Materialflussrichtung die mindestes eine Fördereinheit, mindestens eine Materialzuführung, ein Heizelement, an dem der mindestens eine Extrusionsdüse angeordnet ist, aufweist
- - mindestens eine Fördereinheit, welche das mindestens eine Material aus dem mindestens einen zugeordneten Materialvorrat durch die mindestens eine Extruderbaugruppe der mindestens einen Extrusionsdüse zuführt,
- - dass durch die formgebende Öffnung der Düse, das mindestens eine Material ausbringbar ist,
- - die mindestens eine Extrusionsdüse mithilfe der Steuereinheit und der zugehörigen Antriebe über die mindestens eine erste Achsführung und mindestens eine zweite Achsführungen eben über die Baufläche geführt wird, so dass
- - eine Schicht aus Material aus der formgebenden Öffnung auf die Baufläche ausbringbar ist, und
- - nach Ausbringung einer Schicht, die mindestens eine Extrusionsdüse in Richtung der mindestens einen dritten Achsführung um eine inkrementale Wegstrecke versetzt wird, dass zwischen der mindestens einen Austrittsöffnung und Baufläche und/oder vorangegangener Schicht ein Spalt entsteht,
- - die Steuereinheit die Material-Volumenströme und/oder die Materialtemperaturen überwachen und steuern, und
- - nach Ausbringung der unteren Schichten ist der untere Bereich der mindestens einen Extrusionsdüse und/oder der zuletzt ausgebrachten Schicht mit einer Kühleinheit kühlbar ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Fertigungssystems kann das mindestens eine ausbringbare Material als Granulat in dem mindestens einen Materialvorrat gespeichert sein. Die mindestens eine Materialzuführung kann als Förderschnecke und/oder Plastifizierschnecke ausgebildet sein und ist direkt mit der mindestens einen Extrusionsdüse verbunden.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann das Fertigungssystem mindestens einen Materialvorrat aufweisen, welcher das mindestens eine ausbringbare Material in Form eines Endlosgarns auf mindestens einer Spule oder als Stangenware bereitstellt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Führungsachse mehrere Extruderbaugruppen tragen. Dementsprechend sind Materialvorrat, Materialzuführung und Förder-einrichtung in entsprechender Anzahl erforderlich, damit gleichartige Bauteilgeometrien parallel fertigbar sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können an einer Extruderbaugruppe mehrere Materialzuführungen sowie korrespondierende Materialvorräte, sowie Fördereinheiten angeordnet sein, so sind innerhalb einer Bauteilgeometrie mehrere Materialien aus einem Extruder austragbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann im Bereich der formgebenden Öffnung ein Auslass angebracht sein, welche mit mindestens einer Kühleinheit verbindbar ist. Die Kühleinheit kann vorteilhaft Druckluft in den Bereich um die formgebende Öffnung führen, um diesen Bereich zu kühlen.
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Vorteilhaft kann die Öffnung des Auslasses um den Bereich des gesamten Umlaufs der Düse gerichtet sein, um den Bereich der formgebenden Öffnung zu kühlen, welcher sich in Austragrichtung hinter der Düse, also im Bereich der Ablagezone oder der Fügestelle mit darunterliegenden Schichten, befindet.
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In vorteilhafter Ausgestaltung nach Patentanspruch 12 ist die Baufläche und/oder der Bauraum beheizbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können entlang des Düsenkorpus und/oder der Düse mehrere Heizelemente angebracht sein, um das ausbringbare Material stufenweise und/oder im Bereich der Umformzonen und/oder Stabilisierungsstrecken gezielt zu erwärmen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Bauraum durch die Abwärme des mindestens einen Heizelements, angeordnet an dem Düsenkorpus beheizbar sein, oder der Bauraum kann mithilfe eines weiteren Heizelements beheizbar sein. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann an der Baufläche mindestens ein weiteres Heizelement anordenbar sein, um die Haftung und/oder Formstabilität des mindestens einen ausbringbaren Materials zu verbessern. Um die Wärme innerhalb des Bauraums zu speichern kann in vorteilhafter Ausführung des Fertigungssystems eine Einhausung des Bauraums vorgesehen sein.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des Fertigungssystems nach Patentanspruch 13 ist das mindestens eine auszubringende Material ein amorpher und/oder ein teilkristalliner Kunststoff ist, wobei der mindesten eine ausbringbare Kunststoff ein Polyolefin, technischer Thermoplast und/oder Hochleistungsthermoplast ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das mindestens eine ausbringbare Material ein faserverstärkter und/oder hochgefüllter Kunststoff sein, wobei die Fasern aus Glas- oder Kohlefaser bestehen können, die Füllung Glaskugeln, Talkum, Aluminiumhydroxid und/oder Holz sein kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das mindestens eine ausbringbare Material auch ein Erzeugnis, wie z.B. Beton sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiel.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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In den Figuren zeigt:
- 1: eine perspektive Darstellung eines Düsenkorpus in Verbindung mit einer Düse;
- 2a - c: verschiedene Ausgestaltungen des Düsenkorpus in Verbindung mit der Düse im Vollschnitt;
- 3a - c: verschiedene Ausgestaltungen der formgebenden Öffnung der Düse in Draufsicht;
- 4: eine perspektivische Darstellung einer besonderen Ausführform eines Fertigungssystems; und
- 5: eine perspektivische Darstellung einer additiv gefertigten Bauteilgeometrie.
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In den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehene Elemente entsprechen im Wesentlichen einander, sofern nicht anders angegeben. Darüber hinaus wird darauf verzichtet, Bestandteile zu zeigen und zu beschreiben, welche nicht wesentlich zum Verständnis der hierin offenbarten technischen Lehre beitragen. Im Weiteren werden nicht für alle bereits eingeführten und dargestellten Elemente die Bezugszeichen wiederholt, sofern die Elemente selbst und deren Funktion bereits beschrieben wurden oder für einen Fachmann bekannt sind.
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Ausführliche Beschreibung anhand einer Ausführform
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung der Düse 20, welche als Teil des Düsenkorpus 30 ausgebildet ist. Der Düsenkorpus 30 und die Düse 20 bilden die Extruderdüse 40. Die Extruderdüse 40 dient zum Ausbringen von thermoplastischen Materialien, z.B. Polyofinen. Die gezeigte und nachfolgend beschriebene Ausführung ist daher nicht limitierend und kann zusätzlich hierin angegebene Merkmale oder angegebene Alternativen aufweisen.
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Der Düsenkorpus 30 und die damit verbundene Düse 20 weisen eine zentrisch durchlaufende Durchdringung 21 auf. Die Austrittsöffnung 26 ist mit einem Profil versehen und endet mit der formgebenden Öffnung 10 an der Fläche 27. Das Profil ist in dieser Ausführform als nicht-konvexes Polygon, bspw. als Sternkontur ausgebildet.
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Im Bereich der Mantelfläche weist der Düsenkorpus 30 ein erstes Befestigungselement 31, wie z.B. ein Gewinde, auf. Über das erste Befestigungselement 31 ist der Düsenkorpus 30 mit dem Heizelement 62 (nicht dargestellt) verbindbar.
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Gegenüberliegende Ausklinkungen sind im Bereich der Mantelfläche angeordnet, diese bilden parallele Griffflächen 32 zum Greifen mittels eins Werkzeugs, bspw. einem Maulschlüssel (nicht dargestellt).
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2a zeigt eine Ausführung der Extrusionsdüse 40 im Vollschnitt. Innerhalb der Extrusionsdüse 40 ist die zentrische Durchdringung 21 angeordnet, die durch den Düsenkorpus 30 und die Düse 20 verläuft. Die Durchdringung 21 weist in Materialflussrichtung im oberen Bereich des Extrusionsdüse 40 einen Eintrittsbereich 22, gefolgt von einer Umformzone 25 auf. Im Anschluss an die Umformzone 25 folgt ein Austrittsbereich 23, welcher eine Stabilisierungsstrecke 24 aufweist. Am Ende der Stabilisierungsstecke 24 ist eine Austrittsöffnung 26 angeordnet. Die gesamte Oberfläche der im Wesentlichen zylinderförmigen Stabilisierungsstrecke 24 weist ein sternförmiges Profil auf.
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Die 2b zeigt eine Schnittdarstellung einer zweiteiligen Ausführung der Extrusionsdüse 40. Der Düsenkorpus 30 ist mit einer als Muffe ausgeführten Düse 20 über ein zweites Befestigungselement 33, z.B. ein Gewinde, verbunden und bilden die Extrusionsdüse 40. Dabei ist der Eintrittsbereich 22 als Teil des Düsenkorpus 30, die Umformzone 25 sowie profilierte Stabilisierungsstrecke 24 als Teil der Düse 20 ausgebildet. Im Bereich der Kontaktflächen sind Dichtungen (nicht dargestellt) vorgesehen.
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2c zeigt eine alternative zweiteilige Ausführung der Extrusionsdüse 40, wie in 2b beschrieben, dabei ist die Düse 20 als Blende oder als Matrize ausgeführt. Die Stabilisierungsstrecke 24 ist verkürzt. Die Düse 20 wird mittels einem zweiten Befestigungselement 33 an dem Düsenkorpus 30 angeordnet.
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In den 3a bis 3c sind unterschiedliche Gestaltungen des Profils der Stabilisierungsstrecke 24 dargestellt. Es zeigt 3a die Draufsicht einer Austrittsöffnung 26 mit sternförmiger Kontur, wobei der Stern acht Zacken aufweist; 3b zeigt eine feiner gegliederte Sternkontur der formgebenden Öffnung 10.
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3a und 3b zeigen Profile mit kantigen Konturen im Bereich der Austrittsöffnung. Eine alternative Ausgestaltung ist in 3c dargestellt. Hier weist das Profil im Bereich der nach außen gerichteten Kanten der Austrittsöffnung 26 Radien auf. So wird ein größeres Verhältnis von Umfang zu Querschnittsfläche der formgebenden Öffnung 10 erreicht.
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Das abzulegende Material weist im Austrittsbereich des Extruders 40 im Kern des Materialstrangs eine höhere Temperatur als an dessen Grenzflächen auf. Dies führt im Ablageverfahren zu Verformungen der Bauteilgeometrie 70 während des Abkühlvorgangs. Um eine, über den gesamten Strang nahezu konstante Temperatur zu erzeugen, ist das Verhältnis von Umfang zu Flächenverhältnis der formgebenden Öffnung 10 entscheidend.
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Ein Kreis weist das kleinste Verhältnis von Umfang zu Querschnittsfläche auf. Durch die in 3a - 3c dargestellten Geometrien wird der Umfang vergrößert. Dadurch wird der Kern des Materialstrangs gekühlt, und ein homogener Temperaturverlauf über den Querschnitt der formgebenden Öffnung 10 erzeugt.
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Beschreibung des LAAM-Fertigungssystems 50 und des Fertigungsverfahrens
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4 zeigt eine mögliche Ausgestaltung eines Fertigungssystems 50 aufweisend, einen Bauraum 51, begrenzt durch eine am unteren Ende angeordnete Baufläche 52. Die Baufläche 52 wird von einem Führungsachsenpaar 53 flankiert. In Portalbauweise sind ein weiteres Führungsachsenpaar 55 und eine weitere Führung 54, orthogonal angeordnet. Die Führungsachsen begrenzen den Bauraum 51.
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Die Führungsachse 54 trägt die Extruderbaugruppe 60, welche mithilfe an den Achsen angebrachte Antrieben 56 zu jedem Punkt im Bauraum 51 führbar ist. Die Führung wird über an den Achsen angebrachten Antriebe 56 und damit verbunden Spindeln (nicht dargestellt), realisiert. Die Steuerung der Antriebe übernimmt dabei die Steuereinheit 65.
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In der dargestellten ersten alternativen Ausführung besteht die Extruderbaugruppe 60 aus einer Extrusionsdüse 40, sowie einem Heizelement 62 sowie einer Kühleinheit 64. Das Heizelement 62 ist mit einem ersten Befestigungselement (nicht dargestellt), z.B. ein Gewinde mit dem Düsenkorpus 30 verbunden. Im unteren Bereich der Düse 20 ist ein Auslass (nicht dargestellt) der Kühleinheit 64 angeordnet. Weiter weist das Fertigungssystem 50 der alternativen ersten Ausführform einen Materialvorrat 66 auf, welcher ein Material, bspw. Polyolefin, in Form eines Endlosgarns bereitstellt. In Materialflussrichtung befindet sich nach dem als Spule ausgebildetem Materialvorrat 66 eine Fördereinheit 63. Ein Schlauch, welcher die Materialzuführung 61 darstellt, führt das Garn der Extruderbaugruppe 60, in einem oberen Bereich des Extruders 40 zu. Das auf der Spule 66 bereitgestellte Garn wird mithilfe eines Motors innerhalb der Fördereinheit 63 der Materialzuführung 61 zugeführt. Die Materialzuführung ist als Schlauch ausgebildet und führt das Garn von der Fördereinheit 63 bis zur Extruderbaugruppe 60.
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In einer nicht dargestellten alternativen Ausführform wird das Material der Extrusionsdüse 40 als Granulat zugeführt. Hierfür ist die Materialzuführung und Fördereinheit als Förder- und/oder Plastifizierschnecke ausgebildet. Die Förder- und/oder Plastifizierschnecke ist direkt oberhalb der Extrusionsdüse 40 als Teil der Extruderbaugruppe 60 ausgebildet. Je nach Plastifizierungsgrad der Schnecke können weitere Heizelemente im Bereich der Extrusionsdüse 40 angeordnet sein oder entfallen. Das Granulat wird in einem dafür vorgesehenen Materialvorrat bereitgestellt und auf geeignete Weise der Extruderbaugruppe 60 zugeführt.
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Das Material wird in dem Eintrittsbereich der Extrusionsdüse 40 zugeführt. Im Bereich und/oder vor dem Bereich der Umformzone 25 wird das in einen teilweise- oder vollständig aufgeschmolzenen Zustand versetzt.
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Das teilweise- oder vollständig aufgeschmolzenen Material wird aufgrund des stetigem nachförderten von Material durch die Stabilisierungsstrecke 24 geführt. Die Stabilisierungsstrecke 24 ist in Materialflussrichtung so ausgebildet, dass Spannungen innerhalb des teilweise- oder vollständig aufgeschmolzenen Materials vollständig eliminiert werden. Das Profil der Stabilisierungsstrecke 24 weist eine große Oberfläche auf, darüber wird das Material auf die Austragstemperatur temperiert und verbleibt bis zum Erreichen der Austrittsöffnung 26 in einem vordefinierten Temperaturbereich. Im Bereich und/oder nach der Austrittsöffnung 26 wird das Material über die Kühleinheit 64 gekühlt.
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Simultan zur Förderung des Materials wird die Extruderbaugruppe 60 entlang der Achsführungen 53 und 54 eben über die Baufläche 52 bewegt. So entsteht auf der Baufläche 52 ein Strang, welcher Teil einer Bauteilgeometrie 70 ist. Nach dem Austragen der ersten Schicht 73 wird die Extruderbraugruppe 60 um ein inkrementales Wegstück in Richtung der Achse 55 versetzt, erneut wird eine weitere Schicht 71 einer vordefinierten Geometrie 70 abgelegt.
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Mithilfe des beschriebenen Fertigungssystems und wird eine Bauteilgeometrie 70, wie in 5 dargestellt, hergestellt. Die erste Schicht 73 des Bauteils 70 haftet auf der Baufläche 52, jede weitere Schicht 71 wird auf dem Darunterliegendem abgelegt.
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Die Temperatur des über die konturierte Austrittsöffnung 26 ausgetragene Strang des auszutragenden ist über die gesamte Querschnittsfläche der formgebenden Öffnung 10 nahezu konstant.
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Das Profil der formgebenden Öffnung 10 schafft eine Struktur auf der Oberfläche 74 des ausgetragenen Materialstrangs. Diese Strukturierung bildet eine flächige Auflage für nachfolgende weitere Schichten 71 und beugt Spannungen in den ausgetragenen weiteren Schichten 71 während des Abkühlprozesses vor.
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Weiter bedingt die geringfügig verringerte Querschnittsfläche der formgebenden Öffnung 10 gegenüber einem Kreis aufgrund der Konturierung eine Überfütterung der Extrusionsdüse 40, da der verringerte Querschnitt nur einen geringeren Volumenstrom des auszutragenden Materials zulässt. Dies führt bei der Materialablage in Kantenbereichen 72 der Bauteilgeometrie 70 zu einer geringen Eigenspannung im abgelegten Materialstrang und verhindert Wellenbildung in den Kantenbereichen 72.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Formgebende Öffnung
- 20
- Düse
- 21
- Durchdringung
- 22
- Eintrittsbereich
- 23
- Austrittsbereich
- 24
- Stabilisierungsstrecke
- 25
- Umformzone
- 26
- Austrittsöffnung
- 27
- Fläche
- 30
- Düsenkorpus
- 31
- Befestigungselement
- 32
- Grifffläche
- 33
- Befestigungselement
- 40
- Extrusionsdüse
- 50
- Fertigungssystem
- 51
- Bauraum
- 52
- Baufläche
- 53
- Achsführung
- 54
- Achsführung
- 55
- Achsführung
- 56
- Antrieb
- 60
- Extruderbaugruppe
- 61
- Materialzuführung
- 62
- Heizelement
- 63
- Fördereinheit
- 64
- Kühleinheit
- 65
- Steuereinheit
- 66
- Materialvorrat
- 70
- Bauteilgeometrie
- 71
- weitere Schicht
- 72
- Kantenbereich
- 73
- erste Schicht
- 74
- Oberfläche
