DE102022134072A1

DE102022134072A1 - Extrusionsvorrichtung zur Verwendung in einem System zur additiven Fertigung sowie Verfahren zur Steuerung einer Extrusionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102022134072A1
Application number: DE102022134072.4A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Buresch; Tobias Jacob; Felix Krüger
Original assignee: Helmholtz Zentrum Hereon GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Hereon GmbH
Priority date: 2022-12-20
Filing date: 2022-12-20
Publication date: 2024-06-20

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Extrusionsvorrichtung zur Verwendung in einem System zur additiven Fertigung mit einem Gehäuse (5), mit einer Extruderschnecke (9), die sich in dem Gehäuse (5) entlang einer Drehachse (11) erstreckt und gegenüber dem Gehäuse (5) um die Drehachse (11) mit einer ersten Drehrichtung drehend angetrieben ist, wobei das Gehäuse (5) derart ausgestaltet ist, dass sich die Drehachse (11) in einer vertikalen Richtung erstreckt, wobei das Gehäuse (5) an dem oberen Ende einen Einlassbereich (13) und an dem unteren Ende einen Auslassbereich (15) mit einer Auslassöffnung (17) aufweist, die in Verbindung mit dem Bereich in dem Gehäuse (5) steht, in dem die Extruderschnecke (9) aufgenommen ist, wobei sich die Extruderschnecke (9) zwischen einem Einlassende (19) und einem Auslassende (21) erstreckt und wenigstens eine helixförmig verlaufende Wendel (37) aufweist, die zwischen dem Einlassende (19) und dem Auslassende (21) um einen Kern (35) der Extruderschnecke (9) umläuft, und wobei die Extruderschnecke (9) gangprogressiv ausgebildet ist, indem die Steigung der wenigstens einen Wendel (37) vom Einlassende (19) zum Auslassende (21) abnimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Extrusionsvorrichtung, vorzugsweise zur Verwendung in einem System zur additiven Fertigung, ein Verfahren zum Betrieb einer Extrusionsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Extruderschnecke.
Bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren der additiven Fertigung wird eine Mischung aus einem Metallpulver oder einem Metallpulvergemisch einerseits und einem Polymer oder einem Polymergemisch als Binder andererseits extrudiert und nachfolgend entbindert und gesintert. Dabei können durch die Verwendung von Metallpulvergemischen auch Legierungen extrudiert werden oder Legierungen entstehen anschließend beim Sintern In diesem Zusammenhang ist es bekannt, dass der dafür verwendete Extruder so angeordnet ist, dass die Drehachse der Extruderschnecke vertikal oder unter einem Winkel von 45° zur Vertikalen verläuft und der Extruder in dieser Orientierung quer zur Drehachse der Extruderschnecke über das Substrat bewegt und dabei das Rohmaterial für das Werkstück aufgetragen wird. Eine Vorrichtung für eine derartige additive Fertigung ist beispielsweise aus der DE 10 2017 114 841 A1 bekannt.
Bei derartigen Vorrichtungen hatte es sich jedoch als nachteilhaft erwiesen, dass der Aufbau der Extruderschnecke nicht verhindert, dass sich zu extrudierendes Material innerhalb des Extrudersrohrs trotz einer Drehung der Extruderschnecke nicht bewegt, d.h. nicht kontinuierlich in Richtung der Auslassöffnung des Extruders gefördert wird. Dies liegt in vielen Fällen daran, dass die Reibkräfte zwischen Extruderschnecke und dem zu extrudierenden Material nicht ausreichen, dieses kontinuierlich mitzubewegen.
Weiterhin kommt es bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur additiven Fertigung, die einen Extruder verwenden, bei dem die Drehachse der Extruderschnecke vertikal oder unter 45° geneigt verläuft, in vielen Fällen dazu, dass Verstopfungen im Einzugsbereich der Schnecke auftreten. Dies führt dazu, dass der eigentliche kontinuierliche Prozess der Fertigung beim Auftreten derartiger Verstopfungen unterbrochen werden muss, was außerordentlich nachteilhaft ist.
Ferner wird bei der Steuerung von Vorrichtungen aus dem Stand der Technik häufig zugrunde gelegt, dass es einen linearen Zusammenhang zwischen der Drehzahl der Extruderschnecke und der von dem Extruder ausgestoßenen Extrusionsmenge gibt. Tatsächlich ist der Zusammenhang zwischen Drehzahl und Extrusionsmenge wesentlich komplexer. Dies wiederum hat zur Folge, dass die ausgestoßenen Extrusionsmenge nur unzureichend gesteuert werden kann und sich gerade bei der additiven Fertigung Schwächen im Druckbild ergeben. Insbesondere kann es dazu kommen, dass einige Bereiche über- bzw. unterextrudiert werden.
Schließlich hat es sich als schwierig erwiesen, Extruderschnecken für Extruder für die additive Fertigung, die eine vergleichsweise komplexe Geometrie aufweisen, derart zu fertigen, dass trotz der komplexen Geometrie Toleranzen und insbesondere Spaltmaße zwischen Extruderschnecke und Extrusionsrohr eingehalten werden.
Daher liegt einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Extrusionsvorrichtung für die additive Fertigung bereitzustellen, die derart ausgestaltet ist, dass eine kontinuierliche Förderung des zu extrudierenden Materials durch die Auslassöffnung gewährleistet ist.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Extrusionsvorrichtung, vorzugsweise zur Verwendung in einem System zur additiven Fertigung, gelöst mit einem Gehäuse, mit einer Extruderschnecke, die sich in dem Gehäuse entlang einer Drehachse erstreckt und gegenüber dem Gehäuse um die Drehachse mit einer ersten Drehrichtung drehend angetrieben ist, wobei das Gehäuse derart ausgestaltet ist, dass sich die Drehachse in einer vertikalen Richtung erstreckt, wobei das Gehäuse an dem oberen Ende einen Einlassbereich und an dem unteren Ende einen Auslassbereich mit einer Auslassöffnung aufweist, die in Verbindung mit dem Bereich in dem Gehäuse steht, in dem die Extruderschnecke aufgenommen ist, wobei sich die Extruderschnecke zwischen einem Einlassende und einem Auslassende erstreckt und wenigstens eine helixförmig verlaufende Wendel aufweist, die zwischen dem Einlassende und dem Auslassende um einen Kern der Extruderschnecke umläuft, und wobei die Extruderschnecke gangprogressiv ausgebildet ist, indem die Steigung der wenigstens einen Wendel vom Einlassende zum Auslassende abnimmt.
Bei dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Extruderschnecke einer Extrusionsvorrichtung, bei dem die Drehachse der Extruderschnecke im Wesentlichen vertikal verläuft, erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass sie einen Kern aufweist, um den herum wenigstens eine, vorzugsweise aber zwei Wendeln, helixförmig umlaufen. Weiterhin verlaufen die Wendeln gangprogressiv, sodass die Steigung der Wendeln entlang der Drehachse der Extruderschnecke vom Einlassende zum Auslassende hin abnimmt. In diesem Zusammenhang ist das Einlassende der Extruderschnecke dasjenige Ende, das dem Einlass für das zu extrudierende Material benachbart ist, während das Auslassende dasjenige Ende ist, das dem Auslass der Extrusionsvorrichtung benachbart ist.
Dabei ist es erfindungsgemäß aber nicht erforderlich, dass die Steigung kontinuierlich abnimmt. Vielmehr ist es erfindungsgemäß ausreichend, wenn die Steigung der wenigstens einen Wendel in einem oder mehreren Schritten hin zum Auslassende abnimmt. Eine kontinuierliche Abnahme stellt aber auch eine bevorzugte Ausführungsform dar.
Dadurch wird erreicht, dass der Druck, unter dem das zu extrudierende Material steht, vom Einlassbereich zum Auslassbereich hin zu nimmt. Zum anderen hat sich erwiesen, dass bei einer derartigen gangprogressiven Ausgestaltung der Extruderschnecke Lufteinschlüsse unmittelbar unterhalb der Wendel vermieden werden. Außerdem wird das Material über nahezu die gesamte Querschnittsfläche der Schnecke bzw. der Bohrung in dem Gehäuse, in dem die Schnecke angeordnet ist, mit Ausnahme des Bereichs, der durch den Kern der Schneckt gebildet wird, gefördert. Schließlich wird eine Rückbewegung von ggf. plastifiziertem Material oder eine Drehung der Schnecke, bei der es nicht zu einem Transport von Material kommt, zuverlässig verhindert. Dies geschieht dadurch, dass der Durchmesser des Kerns Einlassende zum Auslassende hin abnimmt, wobei aber diese Abnahme des Kernquerschnitts durch die Abnahme der Steigung der Wendel wenigstens kompensiert wird.
Diese Kompensation erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform so, dass die freie Querschnittsfläche zwischen benachbarten Gängen der Wendel gesehen in Umfangrichtung der Wendel vom zum Einlassende weisenden Ende der Wendel hin zum Auslassende weisenden Ende der Wendel abnimmt. Das bedeutet, dass bei dieser bevorzugten Ausführungsform zwar der Kerndurchmesser der Schnecke abnimmt, was zunächst zu einer Vergrößerung der freien Querschnittsfläche zwischen benachbarten Gängen der Wendel gesehen in Umfangrichtung führt. Diese Vergrößerung wird bei dieser Ausführungsform aber dadurch überkompensiert, dass die Steigung derart abnimmt, dass sich die Querschnittsfläche insgesamt verringert.
Durch die Abnahme des Kerndurchmessers der Extruderschnecke wird erreicht, dass das sich innerhalb des der Extruderschnecke befindliche Material nicht entgegen der Fördereinrichtung zurückbewegen kann, da es aufgrund des abnehmenden Kerndurchmessers der Extruderschnecke zu einem „Formschluss“ zwischen dem Material und der Schnecke kommt, der gerade eine solche Bewegung verhindert.
Damit wird der Problematik Rechnung getragen, die insbesondere beim sogenannten „Retraction“, also dem kurzzeitigen Drehen der Schnecke entgegen der Förderdrehrichtung, auftreten kann. Verdichtetes Material bewegt sich dabei zunächst aus der Schnecke zurück in die Einzugszone. Beim anschließenden Drehen in Förderdrehrichtung bewegt sich das verdichtete Material bei Extrusionsvorrichtungen aus dem Stand der Technik nicht wieder in Richtung des Auslassendes und die Extrusion kommt zum Erliegen. Das verdichtete Material dreht sich vielmehr nur noch mit der Schnecke mit, ohne jedoch gefördert zu werden.
Damit erlaubt der erfindungsgemäße Aufbau, das Retraction zuverlässig zu verwenden, bei dem die Schnecke kurzzeitig entgegengesetzt zu der Richtung gedreht wird, bei der ein Transport des Materials zum Auslassende erfolgt, um den Druck innerhalb des Extruders kurzzeitig zu reduzieren. Die zuverlässige Verwendung dieser Funktion während des Extrusionsprozesses setzt nämlich voraus, dass nach dem Retraction sofort wieder zuverlässig Druck aufgebaut werden kann, was aber nur dann möglich ist, wenn zu extrudierendes Material und die Schnecke derart miteinander in Eingriff sind, dass das Material bei einer Drehung der Schnecke unmittelbar gefördert oder mit Druck beaufschlagt wird. Gerade dieser Eingriff oder Formschluss wird bei der Erfindung gemessen Ausführungsform erzielt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung weist die wenigstens eine Wendel hintereinander eine Einzugszone, eine Verdichtungszone und eine Schmelzzone auf, wobei die Einzugszone benachbart zum Einlassende weisenden Ende der Wendel vorgesehen ist, die Schmelzzone benachbart zum Auslassende weisenden Ende der Wendel vorgesehen ist und die Verdichtungszone zwischen der Einzugszone und der Schmelzzone angeordnet ist, wobei die Steigung der wenigstens einen Wendel in der Einzugszone größer ist als die Steigung der wenigstens einen Wendel in der Verdichtungszone und wobei die Steigung der wenigstens einen Wendel in der Verdichtungszone größer ist als die Steigung der wenigstens einen Wendel in der Schmelzzone. Insbesondere kann es im Rahmen dieser bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass sich die Steigung zwischen den Abschnitten stufenartig oder kontinuierlich ändert.
Mit einem derartigen Aufbau wird zunächst die durch die Verringerung des Kerndurchmessers erforderliche Verringerung der freien Querschnittsfläche senkrecht zur Umfangsrichtung der Wendel zwischen deren Gängen erreicht. Außerdem nimmt der Druck, der auf das zu extrudierende Material wirkt, von der Verdichtungszone zu der Schmelzzone zu, sodass das zu extrudierende Material schließlich, unterstützt durch eine außen am Gehäuse angebrachte Heizmanschette, in der Schmelzzone aufschmilzt. Dabei wird der Binder bzw. das Polymer oder die Polymermischung im zu extrudierenden Material aufgeschmolzen und die Viskosität des Materials nimmt dadurch ab. Dadurch wird bei dieser bevorzugten Ausführungsform das zu extrudierende Material unter kontrollierten Bedingungen aufgeschmolzen, bevor es durch die Auslassöffnung ausgestoßen wird.
Insbesondere kann der Durchmesser des Kerns der Extruderschnecke gerade in der Verdichtungszone und der Schmelzzone in der Richtung vom Einlassende zu dem Auslassende abnehmen, um gerade in diesem Bereich den schon erwähnte Formschluss zu erreichen. Um dann im Bereich der Verdichtungszone und der Schmelzzone dennoch den Druck auf das zu extrudierende Material bzw. die Verdichtung zumindest aufrecht zu erhalten, ist es weiter bevorzugt, dass die Querschnittsfläche zwischen benachbarten Gängen der Wendel gesehen in Umfangrichtung der Wendel vom der Verdichtungszone hin zum Auslassende weisenden Ende der Schmelzzone abnimmt.
Weiterhin hat es sich bei diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft erwiesen, wenn die Extruderschnecke zwischen dem Einlassende und dem Auslassende einen Mittelabschnitt aufweist, in dem der Außendurchmesser der wenigstens einen Wendel konstant ist. Dadurch wird ermöglicht, dass die Extruderschnecke innerhalb des Gehäuses bzw. des Extruderrohrs axial verschoben werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung nimmt der Außendurchmesser der wenigstens einen Wendel zwischen dem Mittelabschnitt und dem Auslassende der Extruderschnecke ab, und bevorzugt weist das Extruderrohr in dem korrespondierenden Abschnitt einen entsprechend verringerten Innendurchmesser auf. Auf diese Weise wird das für das zu extrudierende Material zur Verfügung stehenden Volumen benachbart zu der Auslassöffnung gegenüber dem Bereich im Mittelabschnitt reduziert, sodass vor der Auslassöffnung der erforderliche Extrusionsdruck aufgebaut wird. Außerdem wird bei diesem Aufbau das zu extrudierende Material möglichst weit in den Auslassbereich hinein gefördert.
Ferner ist es bei diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn die Extruderschnecke wenigstens eine erste und eine zweite Wendel aufweist, die vorzugsweise um 180° um die Drehachse gegeneinander versetzt sind. Vorzugsweise sind die Steigungen der wenigstens ersten und zweiten Wendel entlang der Drehachse gleich. Bei einem solchen Aufbau wird erreicht, dass die auf die Extruderschnecke wirkendenden Momente, die ein Verkippen der Drehachse bewirken, sich gegeneinander aufheben. Dadurch wird zuverlässig verhindert, dass die Extruderschnecke im Betrieb an dem Extruderrohr schleift, was zu Kontaminationen des zu extrudierenden Materials führen würde. Insbesondere kann dadurch erreicht werden, dass auch bei einem definiertem Spalt zwischen Extruderschnecke und Extruderrohr in Abhängigkeit der Partikelgröße trotzdem keine Kontaminationen des zu extrudierenden Materials auftreten. Der Spalt zwischen der Extruderschnecke und dem Extruderrohr sollte vorzugsweise so bemessen sein, dass er größer als die maximale Partikelgröße des verwendeten Materials ist, diese aber nur in möglichst geringem Umfang überschreitet. Dadurch, dass der Spalt größer ist als die maximale Partikelgröße, wird sichergestellt, dass sich keine Partikel zwischen Extruderschnecke und Extruderrohr verklemmen und dann mit bewegt werden können, was zu einer Beschädigung insbesondere der Oberfläche des Extruderrohrs führen könnte. Darüber hinaus wird bei mehreren Wendeln der Materialfluss hin zu dem Auslassende vergleichmäßigt. Es ist ferner denkbar, dass drei oder vier Wendeln an der Extruderschnecke vorgesehen sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dieses ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung weist die Extruderschnecke benachbart zwischen dem Einlassende und der Wendel einen Aufnahmeabschnitt auf, wobei der Aufnahmeabschnitt wenigstens eine Leitschaufel aufweist, die ausgestaltet sind, bei einer Drehung der Extruderschnecke in einer ersten Richtung in das Gehäuse radial benachbart zu dem Aufnahmeabschnitt eingebrachtes Material hin zu der Drehachse zu fördern. Insbesondere kann der Aufnahmeabschnitt zwischen dem Einlassende der Extruderschnecke und dem Mittelabschnitt vorgesehen sein. Durch die Leitschaufel wird erreicht, dass zu extrudierendes Material zuverlässig in den Bereich der Extruderschnecke gefördert wird, und damit ein kontinuierlicher Materialstrom durch den Extruder sichergestellt wird. Dies wiederum gewährt eine gute Prozesssicherheit, d.h. es werden Unterbrechungen des Materialstroms in der Extrusionsvorrichtung vermieden.
In weiter bevorzugter Weise weist die wenigstens eine Leitschaufel einen Radialabschnitt, der sich radial von der Drehachse wegerstreckt, und einen Umfangsabschnitt auf, der sich von dem freien Ende des Radialabschnitts weg in Umfangsrichtung und in Richtung der ersten Drehrichtung um die Drehachse erstreckt. Bei diesem Aufbau der Leitschaufel bewirkt der sich in Umfangsrichtung erstreckende Umfangsabschnitt, dass zu extrudierendes Material hin zu der Drehachse gefördert wird. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn sich der Abstand in radialer Richtung zwischen dem Umfangsabschnitt und der Drehachse von dem freien Ende des Umfangsabschnitts hin zu dem Radialabschnitt vergrößert. Ein solcher Aufbau hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da hier das zu extrudierende Material in dem gewünschten Umfang hin zu der Drehachse gefördert wird.
Um bei einem Aufbau mit Leitschaufeln sicherzustellen, dass ausreichend zu extrudierendes Material zwischen die Leitschaufeln und die Drehachse gelangt, ist es bevorzugt, wenn der Umfangabschnitt in der zum Einlassende weisende Kante des Umfangsabschnitts eine Aussparung aufweist, durch die sich von außen Material in den Bereich zwischen dem Umfangsabschnitt und der Drehachse bewegen kann.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn eine erste und eine zweite Leitschaufel vorgesehen ist, wobei das freie Ende des Umfangsabschnitts der ersten Leitschaufel von dem Radialabschnitt der zweiten Leitschaufel beabstandet ist. Bei diesem Aufbau ist zwischen den Leitschaufeln ein Spalt vorgesehen, durch den sich zu extrudierendes Material kontinuierlich bewegen kann.
Durch die wenigstens eine Leitschaufel wird das zu extrudierende Material aufgelockert und bewegt, um einem Verklumpen vorzubeugen. Damit wird insbesondere erreicht, dass Material kontinuierlich in die Schnecke geführt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung ist die Extruderschnecke entlang von deren Drehachse verschiebbar in dem Gehäuse aufgenommen, wobei ein Drehantrieb vorgesehen ist, der mit dem Einlassende der Extruderschnecke verbunden ist und der ausgestaltet ist, um die Extruderschnecke um die Drehachse drehend anzutreiben, und wobei der Drehantrieb entlang der Drehachse gegenüber dem Gehäuse verfahrbar ist. Durch die axiale Verfahrbarkeit des Antriebs und damit der Extruderschnecke kann zum einen das Wechseln und Reinigen der Schnecke erleichtert werden. Zum anderen kann die Verfahrbarkeit dazu genutzt werden, den Abstand der Schnecke zur Auslassöffnung zu variieren. Dies wiederum erlaubt es, den Vorrat an aufgeschmolzenem Material anzupassen. Da zu dem die Ausbringungsmenge je nach Düsendurchmesser und Druckgeschwindigkeit stark variieren kann, ist ein unterschiedlicher Aufschmelzungsvorrat wünschenswert. Dies kann durch die Verschiebbarkeit gewährleistet werden. Es ist also grundsätzlich auch denkbar, dass die Extruderschnecke während eines laufenden Extrusionsvorgangs verfahren wird.
Weiterhin ist es bei diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn das Gehäuse ein sich entlang der Drehachse erstreckendes Innenrohr aufweist, in dem die Extruderschnecke aufgenommen ist. Dies erleichtert die Herstellung des Gehäuses, da Teile des Gehäuses für unterschiedliche Extruderschnecken identisch ausgebildet sein können und nur das Innenohr an die jeweilige Extruderschnecke angepasst werden muss. Insbesondere kann das Innenrohr verdrehsicher in das Gehäuse eingesetzt sein.
Außerdem ist es bei diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn im Bereich des Auslassbereichs des Gehäuses eine Druckerfassungseinrichtung vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, den Druck im Bereich der Auslassöffnung zu erfassen. Dies ermöglicht es, im Betrieb der Extrusionsvorrichtung den Druck, unter dem das zu extrudierende Material im Bereich der Auslassöffnung steht, zu steuern.
Schließlich ist es bei diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn im Bereich des Auslassbereichs des Gehäuses eine Temperaturerfassungseinrichtung vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, die Temperatur im Bereich der Auslassöffnung zu erfassen. Damit kann auch die Temperatur des zu extrudierenden Materials zur Steuerung des Extruders verwendet werden.
Einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung einer Extrusionsvorrichtung für die additive Fertigung anzugeben, bei dem die ausgestoßene Extrusionsmenge zuverlässig gesteuert werden kann, sodass das sich ergebende Druckbild weniger Schwächen aufweist, als dies bisher beim Stand der Technik der Fall ist.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer Extrusionsvorrichtung gelöst, wobei die Extrusionsvorrichtung ein Gehäuse, eine Extruderschnecke, die sich in dem Gehäuse entlang einer Drehachse erstreckt und gegenüber dem Gehäuse um die Drehachse drehend angetrieben ist, aufweist, wobei das Gehäuse an dem oberen Ende einen Einlassbereich und an dem unteren Ende einen Auslassbereich mit einer Auslassöffnung aufweist, die in Verbindung mit dem Bereich in dem Gehäuse steht, in dem die Extruderschnecke aufgenommen ist, und wobei im Bereich des Auslassbereichs des Gehäuses eine Druckerfassungseinrichtung vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, den Druck im Bereich der Auslassöffnung zu erfassen, umfassend die folgenden Schritte:

- Erfassen des Drucks im Bereich der Auslassöffnung;
- Vergleich des erfassten Drucks mit einem Solldruck;
- Einstellen der Drehzahl der Extruderschnecke in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs zwischen dem Solldruck und dem erfassten Druck.

Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird somit die Extrusionsvorrichtung auf Basis des im Bereich der Auslassöffnung herrschenden Drucks als Regelgröße geregelt und nicht, wie im Stand der Technik allein auf Grundlage der Schneckendrehzahl. Vielmehr ist erfindungsgemäß erkannt worden, dass der Druck im Bereich der Auslassöffnung dazu verwendet werden kann, die Extrusionsmenge zuverlässig zu steuern. Stellgröße ist dann die Drehzahl der Extruderschnecke.
Schließlich liegt einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Extruderschnecken für Extrusionsvorrichtungen für die additive Fertigung unter Einhaltung der erforderlichen Toleranzen zuverlässig hergestellt werden können.
Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Extruderschnecke gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

a) Herstellen eines Rohlings, wobei der Rohling zumindest abschnittsweise ein Aufmaß in Bezug auf eine vorgegebene finale Außenkontur der Extruderschnecke aufweist;
b) Gleitschleifen und/oder Polieren zumindest von Abschnitten der Oberfläche des Rohlings;
c) mechanisches Bearbeiten, vorzugsweise Drehen und/oder Fräsen des Rohlings;
d) Härten des Rohlings;
f) mechanisches Bearbeiten, vorzugsweise Drehen und/oder Fräsen, des Rohlings;
g) Gleitschleifen zumindest von Abschnitten der Oberfläche des Rohlings;

Bei dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist erkannt worden, dass mit der Kombination aus der Herstellung eines Rohlings gemäß Schritt a), was vorzugsweise mit einem additiven Herstellungsverfahren, insbesondere selektive Laserschmelzen, ausgeführt werden kann, und den weiteren Schritten b) bis g) die Abmessungen der Extruderschnecke zum einen zuverlässig eingestellt und zum anderen auch die erforderlichen Oberflächeneigenschaften sichergestellt werden können.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand einer ein lediglich bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigenden Zeichnung erläutert, wobei

1 eine perspektivische Darstellung des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Extrusionsvorrichtung zeigt, wobei die Extruderschnecke in das das Extruderrohr aufweisende Gehäuse eingefahren ist,
2 eine perspektivische Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 1 zeigt, wobei die Extruderschnecke aus dem Gehäuse herausgefahren ist,
3 eine perspektivische Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels aus 1 ist, die den Bereich der Extruderschnecke und des Gehäuses zeigt,
4 eine Schnittdarstellung der Extruderschnecke des Ausführungsbeispiels aus 1 ist,
5 eine Schnittdarstellung des Auslassbereichs des Gehäuses und der Extruderschnecke des Ausführungsbeispiels aus 1 ist,
6 ein Querschnitt im Bereich des Aufnahmeabschnitts der Extruderschnecke des Ausführungsbeispiels aus 1 ist,
7 zwei Schnittdarstellungen des Auslassbereichs des Gehäuses des Ausführungsbeispiels aus 1 zeigt, wobei die Extruderschnecke unterschiedliche Positionen entlang der Längsachse der Schnecke einnimmt, und
8 eine Schnittdarstellung des Auslassendes einer alternativen Ausführung des Gehäuses zeigt.

Die 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Extrusionsvorrichtung 1, wobei die Vorrichtung 1 eine Basis 3 aufweist, an der ein Gehäuse 5 fest angebracht ist und die an einem Manipulator angebracht werden kann, sodass die gesamte Vorrichtung 1 über ein Substrat bewegt werden kann, um darauf extrudiertes Material abzuscheiden.
Das Gehäuse 5 weist eine Bohrung 7 auf (siehe 3), in der sich eine Extruderschnecke 9 entlang von deren Drehachse 11 erstreckt. Die Bohrung 7 in dem Gehäuse 5 bildet somit das Extruderrohr, wobei der Durchmesser der Bohrung 7 an den Außendurchmesser der Extruderschnecke 9 angepasst ist, sodass der Spalt zwischen Wandung der Bohrung 7 und der oder den Wendeln der Extruderschnecke 9 möglichst klein ist. Dies wird im Folgenden jedoch noch im Detail erläutert.
Wie den 1 bis 3 zu entnehmen ist, ist die Extrusionsvorrichtung 1 derart ausgestaltet, dass sich die Drehachse 11 der Extruderschnecke 9 im Wesentlichen in einer vertikalen Richtung erstreckt. Dabei hat das Gehäuse 5 in dessen oberem Bereich einen Einlassbereich 13 und an dem unteren Ende einen Auslassbereich 15, wobei in dem Auslassbereich 15 eine Auslassöffnung 17 vorgesehen ist, die mit der Bohrung 7 in dem Gehäuse 5 in Verbindung steht, sodass plastifiziertes Material aus der Bohrung 7 durch die Auslassöffnung 17 ausgestoßen werden kann. Die Extruderschnecke 9, die in 4 im Detail dargestellt ist, weist ein Einlassende 19 sowie ein Auslassende 21 auf, wobei im Betrieb der Extrusionsvorrichtung 1 das Einlassende 19 im Bereich des Einlassbereichs 13 des Gehäuses 5 angeordnet ist, während das Auslassende 21 im Auslassbereich 15 des Gehäuses 5 drehbar gehaltert ist. An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass in 4 ein sich von dem Auslassende 21 der Extruderschnecke 9 erstreckendes Aufnahmeelement (kein Bezugszeichen) dargestellt ist, dass lediglich dazu dient, die Extruderschnecke 9 während deren Herstellung zu halten.
Wie weiter insbesondere aus 3 zu erkennen ist, weist der Einlassbereich 13 des Gehäuses 5 eine trichterförmige Form auf, sodass Granulatmaterial, das im Bereich der Bohrung 7 durch die Bewegung der Extruderschnecke 9 gefördert und durch eine am Gehäuse 5 vorgesehene und in 1 bis 3 nicht dargestellte Heizmanschette 22 (siehe 5, 7 und 8) aufgeschmolzen werden soll, der Extruderschnecke 9 im Einlassbereich 13 zugeführt werden kann. Dies wird außerdem durch die nachfolgend noch beschriebenen Leitschaufeln unterstützt.
Wie weiter in den 1 bis 3 zu erkennen ist, ist das Einlassende 19 der Extruderschnecke 9 mit einem Drehantrieb 23 in Form eines Elektromotors 25, einem Getriebe 27 und einer Kupplung 28 verbunden, sodass die Extruderschnecke 9 um die Drehachse 11 drehend angetrieben wird. Insbesondere kann die Extruderschnecke 9 in einer Transportrichtung R (siehe 6) angetrieben werden, in der die Extruderschnecke 9 zu extrudierendes Material hin zu der Auslassöffnung 17 in dem Gehäuse 5 fördert.
Der Drehantrieb 23 in Form des Elektromotors 25, des Getriebes 27 und der Kupplung 28 ist entlang der Drehachse 11 verschiebbar an der Basis 3 gehaltert. Darüber hinaus ist die Extruderschnecke 9 innerhalb des Gehäuses 5 entlang der Drehachse 11 ebenfalls verschiebbar, sodass dann, wenn der Drehantrieb 23 aus der in den 1 und 3 dargestellten Position in die in 2 dargestellte Position verfahren wird, sich die Extruderschnecke 9 aus der Bohrung 7 in dem Gehäuse 5 heraus bewegt. Durch die axiale Verschiebbarkeit des Drehantriebs 23 sowie der Extruderschnecke 9 gegenüber dem Gehäuse 5 wird somit erreicht, dass die Anordnung aus dem Gehäuse 5 mit der Bohrung 7 und der Extruderschnecke 9 in einfacher Weise gereinigt oder eine andere Extruderschnecke 9 eingesetzt werden kann.
Darüber hinaus ermöglicht die axiale Verschiebbarkeit der Extruderschnecke 9 in dem Gehäuse 5 bzw. der Bohrung 7, dass ggf. auch während des Extrudierprozesses die Extruderschnecke 9 zwischen unterschiedlichen axialen Positionen verfahren werden kann, wie dies in 7 dargestellt ist. Die axiale Position kann aber für bestimmte Bedingungen einmal eingestellt und dann beibehalten werden. In 7 ist zu erkennen, dass das Auslassende 21 der Extruderschnecke 9 einen unterschiedlichen Abstand Z_S zu dem unteren Ende des Auslassbereichs 15 des Gehäuses 5 haben kann, je nachdem in welcher axialen Position der Drehantrieb 23 angeordnet ist. Durch diese Wahl der axialen Position der Extruderschnecke 9 relativ zum Gehäuse 5 bzw. zu der Bohrung 7 kann insbesondere die Verweildauer des Materials im aufgeschmolzenen Zustand minimiert werden. Dies ist deswegen wünschenswert, weil es im aufgeschmolzenen Zustand im Falle von Gemischen zu einer Entmischung der Materialien kommen kann.
Während bei dem insbesondere in 3 gezeigten Aufbau das Gehäuse 5 einstückig aufgebaut ist, sodass die Bohrung 7 unmittelbar in dem Gehäusebauteil ausgebildet ist, ist es, wie in 8 gezeigt, auch möglich, dass in das Gehäuse 5 ein Innenrohr 29 eingesetzt ist, in das wiederum die Extruderschnecke 9 eingesetzt ist. Der Innendurchmesser des Innenrohrs 29 ist dann an den Außendurchmesser der Extruderschnecke 9 angepasst. Ein solcher Aufbau mit einem Innenrohr 29 erleichtert den Austausch zwischen unterschiedlichen Extruderschnecken 9 mit unterschiedlichen Außendurchmessern, da dann lediglich das Innenrohr 29 und nicht das gesamte Gehäuse 5 ausgetauscht werden muss. Ein weiterer Vorteil des Innenrohres 29 ist es, dass es aus der gleichen Legierung gebildet sein kann wie das zu verarbeitende Material. Abriebe durch Verschleiß haben dann keinen negativen Einfluss auf die Korrosionseigenschaften des fertigen Werkstücks.
Weiter ist in den 5 und 7 zu erkennen, dass im Auslassbereich 15 im Bereich der Auslassöffnung 17 eine Druckerfassungseinrichtung 31 vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, den Druck des zu extrudierenden Materials in der Bohrung 7 im Bereich der Auslassöffnung 17 zu erfassen. Die Druckerfassungseinrichtung 31 erlaubt es also, den Druck des zu extrudierenden Materials im Inneren der Extrusionsvorrichtung 1 zu bestimmen. Die Druckerfassungseinrichtung 31 kann beispielsweise als ein Piezo-Sensor ausgebildet sein. Es sind aber auch andere Ausgestaltungen denkbar.
Weiterhin ist in 5 zu erkennen, dass zusätzlich zu der Druckerfassungseinrichtung 31 bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel noch eine Temperaturerfassungseinrichtung 33 im Bereich des Auslassbereichs 15 benachbart zu der Auslassöffnung 17 des Gehäuses 5 vorgesehen ist, mit der die Temperatur des zu extrudierenden Materials im Bereich der Auslassöffnung 17 erfasst werden kann. Die Temperaturerfassungseinrichtung 33 kann beispielsweise als ein Thermoelement ausgestaltet sein, wobei aber auch andere Ausgestaltungen denkbar sind.
Nachfolgend wird der Aufbau der Extruderschnecke 9 beschrieben, die in die Bohrung 7 des Gehäuses 5 eingesetzt und gegenüber dem Gehäuse 5 entlang der Drehachse 11 der Extruderschnecke 9 verschiebbar gehaltert ist. Hierbei ist insbesondere auf 4 zu verweisen, die die Extruderschnecke 9 des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels im Längsquerschnitt zeigt.
Den Figuren ist zu entnehmen, dass die Extruderschnecke 9 zwei helixförmig um einen Kern 35 der Extruderschnecke 9 umlaufende Wendeln 37 aufweist, wobei die Wendeln 37 um 180° um die Drehachse 11 versetzt zueinander an dem Kern 35 angebracht sind. Durch diese Anordnung der Wendeln 37 an dem Kern 35 wird erreicht, dass bei einer Drehung der Extruderschnecke 9 entstehende Momente sich gegeneinander aufheben, die durch die Kräfte hervorgerufen werden, die zu extrudierendes Material in der Schnecke 9 der Drehbewegung der Schnecke 9 entgegensetzt, und die ein Verkippen der Schnecke 9 bewirken können.. Dies wiederum hat zur Folge, dass der Spalt zwischen den äußeren Kanten der Wendeln 37 und der Bohrung 7 im Gehäuse 5 sehr klein gewählt werden kann und es dennoch nicht zu Kontakt zwischen den Wendeln 37 bzw. der Extruderschnecke 9 einerseits und der Wandung der Bohrung 7 andererseits kommt. Es ist aber auch möglich, dass statt zweier Wendeln 37 drei oder vier Wendeln verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ist also nicht auf die Anwendung von zwei Wendeln beschränkt.
Der Spalt zwischen der Extruderschnecke 9 und der Wandung der Bohrung 7 ist vorzugsweise so bemessen, dass er größer als die maximale Partikelgröße des mit der Extrusionsvorrichtung 1 verwendeten Materials ist, diese aber nur in möglichst geringem Umfang überschreitet. Dadurch, dass der Spalt größer ist als die maximale Partikelgröße, wird sichergestellt, dass sich keine Partikel zwischen Extruderschnecke 9 und Wandung der Bohrung 7 verklemmen und dann mitbewegt werden können, was zu einer Beschädigung insbesondere der Wandung führen könnte.
Weiterhin ist aus 4 zu erkennen, dass die Extruderschnecke 9 zwischen dem Einlassende 19 und dem Auslassende 21 einen Mittelabschnitt A aufweist, und in diesem Ausführungsbeispiel unmittelbar benachbart zu dem Einlassende 19 ist ein Aufnahmeabschnitt E vorgesehen, der in diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem Einlassende 19 und dem Mittelabschnitt A und den Wendeln 37 angeordnet ist.
Die Wendeln 37 der Extruderschnecke 9 weisen vom Einlassende 19 aus gesehen hintereinander eine Einzugszone B, eine Verdichtungszone C und eine Schmelzzone D auf, wobei die Einzugszone B am zum Einlassende 19 weisenden Ende der Wendeln 37 der Extruderschnecke 9 vorgesehen ist, die Schmelzzone D am zum Auslassende 21 weisenden Ende der Wendeln 37 der Extruderschnecke 9 vorgesehen ist und die Verdichtungszone C zwischen der Einzugszone B und der Schmelzzone D angeordnet ist.
Die Einzugszone B, die Verdichtungszone C, und die Schmelzzone D, unterscheiden sich voneinander dadurch, dass die Steigung der Wendeln 37 in diesen Zonen unterschiedlich ist. Allgemein nimmt die Steigung der Wendeln 37 vom Einlassende 19 zum Auslassende 21 hin ab, und in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Steigung der beiden Wendeln 37 in der Einzugszone B größer ist als die Steigung der Wendeln 37 in der Verdichtungszone C. Darüber hinaus ist die Steigung der Wendeln 37 in der Verdichtungszone C größer ist als die Steigung der Wendeln 37 in der Schmelzzone D.
Durch diesen Aufbau wird die Verdichtung des zu extrudierenden Materials in der Extrusionsschnecke 9 vom Einlassende 19 zum Auslassende 21 kontinuierlich erhöht.
Weiterhin ist zu erkennen, dass die Extrusionsschnecke 9 zwischen dem Einlassende 19 und dem Auslassende 21 im Bereich des Mittelabschnitts A so ausgebildet ist, dass zum einen der Außendurchmesser D_A der Wendeln 37 konstant ist. Zum anderen nimmt der Durchmesser D_K des Kerns 35 der Extruderschnecke 9 im Bereich der Verdichtungszone C ab (auch wenn dies in 4 nicht unmittelbar erkennbar ist).
Weiterhin ist in 4 zu erkennen, dass der Durchmesser D_K des Kerns 35 der Extruderschnecke 9 im Bereich der Schmelzzone D hin zu dem Auslassende 21 weiter abnimmt. Der Außendurchmesser der Wendeln 37 nimmt zudem zwischen dem Mittelabschnitt A und dem Auslassende 21 der Extruderschnecke 9 ebenfalls ab. In diesem Abschnitt außerhalb des Mittelabschnitts A und nahe dem Auslassende 21 verjüngt sich die Extruderschnecke 9 somit. Dieser Abschnitt, in dem der Durchmesser der Extruderschnecke 9 bzw. der Wendeln 37 abnimmt, ist unmittelbar benachbart zu der Auslassöffnung 17, wodurch eine weitere Druckerhöhung im zu extrudierenden Material bewirkt wird.
In dem Bereich der Extruderschnecke 9, in der sich dessen Kern 35 verjüngt, sind die Wendeln 37 derart ausgestaltet, dass die freie Querschnittsfläche zwischen benachbarten Gängen der Wendeln 37 gesehen in Umfangrichtung der Wendeln 37 und damit in Umfangsrichtung der Extruderschnecke 9 vom zum Einlassende 19 weisenden Ende der Wendeln 37 hin zum Auslassende 21 weisenden Ende der Wendel abnimmt. Diese Abnahme der Querschnittsfläche stellt sicher, dass die Abnahme des Kerndurchmessers D_K nicht dazu führt, dass sich die Verdichtung des Materials in der Extruderschnecke 9 vermindert, sondern weiter erhöht.
Durch die Abnahme des Kerndurchmessers D_K der Extruderschnecke wird erreicht, dass sich innerhalb des der Extruderschnecke 9 befindliches Material nicht entgegen der Fördereinrichtung zurückbewegen kann. Denn wegen des abnehmenden Kerndurchmessers D_K der Extruderschnecke 9 kommt es zu einem „Formschluss“ zwischen dem Material und der Extruderschnecke 9, der gerade eine solche Bewegung verhindert.
Dadurch wird auch die Problematik vermieden, die beim sogenannten „Retraction“, d.h. dem kurzzeitigen Drehen der Extruderschnecke 9 entgegen der Förderdrehrichtung, auftreten kann. Verdichtetes Material bewegt sich dabei zunächst aus der Extruderschnecke 9 zurück in die Einzugszone B. Beim anschließenden Drehen in Förderdrehrichtung bewegt sich das verdichtete Material bei Extrusionsvorrichtungen aus dem Stand der Technik nicht wieder in Richtung des Auslassendes und die Extrusion kommt zum Erliegen. Das verdichtete Material dreht sich vielmehr nur noch mit der Schnecke mit, ohne jedoch gefördert zu werden. Dies ist aufgrund der erläuterten Formschlusses bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nicht der Fall, sodass der erfindungsgemäße Aufbau das Retraction zuverlässig ermöglicht.
Weiterhin ist in den 3 und 6 zu erkennen, dass der Aufnahmeabschnitt A zwei Leitschaufeln 41 aufweist, die ausgestaltet sind, bei einer Drehung der Extruderschnecke 9 in einer ersten Richtung, die der Richtung entspricht, bei der die Extruderschnecke 9 Material zu der Auslassöffnung 17 fördert, in das Gehäuse 5 radial benachbart zu dem Aufnahmeabschnitt eingebrachtes Material hin zu der Drehachse 11 zu fördern. Die Leitschaufeln 41 dienen dabei insbesondere dazu, sich in dem trichterförmigen Einlassbereich 13 befindendes Granulat in den Bereich des Aufnahmeabschnitts E der Extruderschnecke 9 zu bewegen. Dadurch wird sichergestellt, dass kontinuierlich ausreichend Material im Aufnahmeabschnitt E vorhanden ist, sodass die Extruderschnecke 9 kontinuierlich gleichmäßig befüllt wird.
In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel weisen die beiden Leitschaufeln 39 einen Radialabschnitt 41 auf, der sich von einem Klemmabschnitt 43, der beiden Leitschaufeln 39 gemeinsam ist und den Kern 35 der Extruderschnecke 9 umgibt, radial von der Extruderschnecke 9 und damit der Drehachse 11 weg erstreckt. Mit dem Klemmabschnitt 43 werden die beiden Leitschaufeln 39 an dem Kern 35 der Extruderschnecke 9 festgeklemmt.
Am freien, von der Drehachse 11 entfernten Ende der Radialabschnitte 41 weist jede Leitschaufel 39 einen Umfangsabschnitt 45 auf, der sich von dem freien Ende des Radialabschnitts 41 weg in Umfangsrichtung und in Richtung der ersten Drehrichtung oder Transportrichtung R um die Drehachse 11 erstreckt. Dabei sind die Umfangsabschnitte 45 der Leitschaufeln 39 so ausgestaltet, dass sich der Abstand in radialer Richtung zwischen dem Umfangsabschnitt 45 und der Drehachse 11 von dem freien Ende des Umfangsabschnitts 45 hin zu dem Radialabschnitt 41 vergrößert. Außerdem ist das freie Ende des Umfangsabschnitts 45 der ersten Leitschaufel 39 von dem Radialabschnitt 41 der zweiten Leitschaufel 39 um den Abstand a₂ beabstandet ist. Weiterhin ist in 6 zu erkennen, dass die Radialabschnitte 41 eine Länge a₁ aufweisen und sich die Umfangsabschnitte 45 über eine Länge l in Umfangsrichtung um die Drehachse 11 erstrecken. Schließlich ist in 6 zu erkennen, dass der Öffnungswinkel der Leitschaufeln 39 durch einen Winkel α definiert ist. Diese Parameter l, a₁, a₂ und α können je nach Material, das mit der Extrusionsvorrichtung 1 extrudiert werden soll, angepasst werden. Daher ist es auch vorteilhaft, dass die Leitschaufeln 39 über den Klemmabschnitt 43 lösbar an dem Kern 35 der Extruderschnecke 9 angebracht sind. Dadurch kann diese durch Wechsel der Leitschaufeln 39 leicht an unterschiedliche Materialien angepasst werden.
Schließlich weisen die Umfangsabschnitte 45 in der zu dem Einlassende 19 weisende Kante des Umfangsabschnitts 45 jeweils eine Aussparung 47 auf, durch die sich Material von außen in den Bereich zwischen dem Umfangsabschnitt 45 und der Drehachse 11 bewegen kann. Dies ermöglicht, dass kontinuierlich Material in diesem Bereich gelangen kann, das dann wiederum durch die Leitschaufeln 39 hin zu der Extruderschnecke 9 bewegt wird.
Die Extruderschnecke 9 kann gemäß der vorliegenden Erfindung mittels der folgenden Verfahrensschritte hergestellt werden:

a) Zunächst wird ein Rohling hergestellt, wobei dies mit einem additiven Fertigungsverfahren, vorzugsweise selektives Laserschmelzen, so erfolgt, dass der Rohling zumindest abschnittsweise ein Aufmaß in Bezug auf eine vorgegebene finale Außenkontur der Extruderschnecke 9 aufweist. Dieses Aufmaß kann insbesondere in dem Bereich des Einlassendes 19 und des Auslassendes 21 sowie den radial nach außen weisenden Kanten der Wendeln 37 vorliegen.
b) Im nächsten Schritt erfolgt ein Gleitschleifen und/oder Polieren zumindest von Abschnitten der Oberfläche des Rohlings, bis die gewünschte Oberflächengüte erreicht ist;
c) Anschließend erfolgt ein mechanisches Bearbeiten, vorzugsweise Drehen und/oder Fräsen des Rohlings, um die Außenkontur mit etwaigen Gewinden und Schlüsselflächen zu versehen; außerdem können Spannungen aus dem Material genommen werden;
d) Nachfolgend erfolgt ein Härten des Rohlings;
e) In einem weiteren Schritt erfolgt dann nochmals ein mechanisches Bearbeiten, vorzugsweise Drehen und/oder Fräsen, des Rohlings, um Gewinde und Schlüsselflächen auf die exakten Maße zu bringen;
f) Abschließend wird nochmals ein Gleitschleifen zumindest von Abschnitten der Oberfläche des Rohlings ausgeführt.

Die Schritte b) bis e) werden derart ausgeführt, dass nach dem Ausführen dieser Schritte die vorgegebene finale Außenkontur vorliegt. Dieses Herstellungsverfahren erlaubt, die Geometrie der Extruderschnecke 93 frei zu wählen. Da für die Herstellung einer spezifischen Extruderschnecke 9 kein spezielles Werkzeug erforderlich ist, ist die Herstellung auch nur einer Extruderschnecke 9 mit speziellen Abmessungen noch wirtschaftlich. Das wiederum macht es möglich, für spezifische Anwendungen die Abmessungen der Extruderschnecke 9 anzupassen, ohne dass dies mit erheblichen Kosten verbunden ist. Die mit dem additiven Fertigungsverfahren verbundenen vergleichsweise hohen Toleranzen werden erfindungsgemäß dadurch kompensiert, dass der additiven Fertigung mechanische Bearbeitungsschritte (Drehen, Fräsen, Gleitschleifen) nachgeschaltet sind, die für eine Einhaltung der vorgegebenen Toleranzen/ Maße sorgen.
Die zuvor beschriebene Extrusionsvorrichtung 1 kann wie folgt betrieben werden.
Zunächst wird der Drehantrieb 23 umfassend den Elektromotor 25, das Getriebe 27 und die Kupplung 28 derart an der Basis 3 entlang der Drehachse 11 verfahren, dass die über die Kupplung 28 an der Abtriebswelle des Getriebes 27 angebrachte Extruderschnecke 9 in die Bohrung 7 in dem Gehäuse 5 so entlang der Drehachse 11 eingefahren wird, dass das Auslassende 21 an der gewünschten Position im Inneren des Gehäuses 5 ist.
Anschließend wird Granulat des zu extrudierenden Materials in den trichterförmig ausgebildeten Einlassbereich 13 des Gehäuses 5 eingebracht, und gleichzeitig wird die Extruderschnecke 9 durch den Drehantrieb 23 in Drehung versetzt. Mittels der Leitschaufeln 39 wird das Granulat in radialer Richtung hin zu der Drehachse 11 gefördert und nachfolgend durch die Extruderschnecke 9 vom Einlassbereich 13 zum Auslassbereich 15 und weiter durch die Auslassöffnung 17 gefördert, wobei das Granulat aufgrund des zunehmenden Drucks aufgeschmolzen wird.
Mittels der Druckerfassungseinrichtung 31 wird der Druck im Inneren des Gehäuses 5 im Bereich der Auslassöffnung 17 erfasst und die Drehzahl der Extruderschnecke 9 so angepasst, dass der Druck auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird. Der Druck in diesem Bereich wird also geregelt, wobei ein Vergleich des erfassten Drucks mit einem Solldruck erfolgt und die Drehzahl der Extruderschnecke 9 in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs zwischen dem Solldruck und dem erfassten Druck eingestellt wird.
Bezugszeichenliste:

1: Extrusionsvorrichtung
3: Basis
5: Gehäuse
7: Bohrung
9: Extruderschnecke
11: Drehachse
13: Einlassbereich
15: Auslassbereich
17: Auslassöffnung
19: Einlassende
21: Auslassende
22: Heizmanschette
23: Drehantrieb
25: Elektromotor
27: Getriebe
28: Kupplung
29: Innnenrohr
31: Druckerfassungseinrichtung
33: Temperaturerfassungseinrichtung
35: Kern (Extruderschnecke)
37: Wendel
39: Leitschaufel
41: Radialabschnitt
43: Klemmabschnitt
45: Umfangsabschnitt
47: Aussparung
A: Mittelabschnitt
B: Einzugszone
C: Verdichtungszone
D: Schmelzzone
E: Aufnahmeabschnitt
R: erste Drehrichtung, Transportrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017114841 A1 [0002]

Claims

Extrusionsvorrichtung, vorzugsweise zur Verwendung in einem System zur additiven Fertigung, mit einem Gehäuse (5), mit einer Extruderschnecke (9), die sich in dem Gehäuse (5) entlang einer Drehachse (11) erstreckt und gegenüber dem Gehäuse (5) um die Drehachse (11) mit einer ersten Drehrichtung drehend angetrieben ist, wobei das Gehäuse (5) derart ausgestaltet ist, dass sich die Drehachse (11) in einer vertikalen Richtung erstreckt, wobei das Gehäuse (5) an dem oberen Ende einen Einlassbereich (13) und an dem unteren Ende einen Auslassbereich (15) mit einer Auslassöffnung (17) aufweist, die in Verbindung mit dem Bereich in dem Gehäuse (5) steht, in dem die Extruderschnecke (9) aufgenommen ist, wobei sich die Extruderschnecke (9) zwischen einem Einlassende (19) und einem Auslassende (21) erstreckt und wenigstens eine helixförmig verlaufende Wendel (37) aufweist, die zwischen dem Einlassende (19) und dem Auslassende (21) um einen Kern (35) der Extruderschnecke (9) umläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Extruderschnecke (9) gangprogressiv ausgebildet ist, indem die Steigung der wenigstens einen Wendel (37) vom Einlassende (19) zum Auslassende (21) abnimmt.
Extrusionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser des Kerns (35) vom Einlassende (19) zum Auslassende (21) abnimmt.
Extrusionsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die freie Querschnittsfläche zwischen benachbarten Gängen der Wendel (37) gesehen in Umfangrichtung der Wendel (37) vom zum Einlassende (19) weisenden Ende der Wendel (37) hin zum Auslassende (21) weisenden Ende der Wendel abnimmt.
Extrusionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei die wenigstens eine Wendel (37) hintereinander eine Einzugszone (B), eine Verdichtungszone (C) und eine Schmelzzone (D) aufweist, wobei die Einzugszone (B) benachbart zum Einlassende (19) weisenden Ende der Wendel (37) vorgesehen ist, die Schmelzzone (D) benachbart zum Auslassende (21) weisenden Ende der Wendel (37) vorgesehen ist und die Verdichtungszone (C) zwischen der Einzugszone (B) und der Schmelzzone (B) angeordnet ist, wobei die Steigung der wenigstens einen Wendel (37) in der Einzugszone (B) größer ist als die Steigung der wenigstens einen Wendel (37) in der Verdichtungszone (C) und wobei die Steigung der wenigstens einen Wendel (37) in der Verdichtungszone (C) größer ist als die Steigung der wenigstens einen Wendel (37) in der Schmelzzone (D).
Extrusionsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Durchmesser (DK) des Kerns (35) der Extruderschnecke (9) in der Verdichtungszone (C) und der Schmelzzone (D) in der Richtung vom Einlassende (19) zu dem Auslassende (21) abnimmt.
Extrusionsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Querschnittsfläche zwischen benachbarten Gängen der Wendel (37) gesehen in Umfangrichtung der Wendel (37) vom der Verdichtungszone (C) hin zum Auslassende (21) weisenden Ende der Schmelzzone (D) abnimmt.
Extrusionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Extruderschnecke (9) zwischen dem Einlassende (19) und dem Auslassende (21) einen Mittelabschnitt (A) aufweist, in dem der Außendurchmesser (D_A) der wenigstens einen Wendel (37) konstant ist.
Extrusionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Außendurchmesser (D_A) der wenigstens einen Wendel (37) zwischen dem Mittelabschnitt (A) und dem Auslassende (21) der Extruderschnecke (9) abnimmt.
Extrusionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Extruderschnecke (9) wenigstens eine erste und eine zweite Wendel (37) aufweist, die, vorzugsweise um 180°, um die Drehachse (11) gegeneinander versetzt sind.
Extrusionsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Steigungen der wenigstens ersten und zweiten Wendel entlang der Drehachse (11) gleich sind.
Extrusionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Extruderschnecke (9) zwischen dem Einlassende (19) und der Wendel (37) einen Aufnahmeabschnitt (E) aufweist, wobei der Aufnahmeabschnitt (E) wenigstens eine Leitschaufel (39) aufweist, die ausgestaltet sind, bei einer Drehung der Extruderschnecke (9) in einer ersten Richtung in das Gehäuse (5) radial benachbart zu dem Aufnahmeabschnitt (E) eingebrachtes Material hin zu der Drehachse (11) zu fördern.
Extrusionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, sofern abhängig von Anspruch 7, wobei der Aufnahmeabschnitt (E) zwischen dem Einlassende (19) der Extruderschnecke (9) und dem Mittelabschnitt (A) vorgesehen ist.
Extrusionsvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die wenigstens eine Leitschaufel (39) einen Radialabschnitt (41), der sich radial von der Drehachse (11) wegerstreckt, und einen Umfangsabschnitt (45) aufweist, der sich von dem freien Ende des Radialabschnitts (41) weg in Umfangsrichtung und in Richtung der ersten Drehrichtung (R) um die Drehachse (11) erstreckt.
Extrusionsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei sich der Abstand in radialer Richtung zwischen dem Umfangsabschnitt (45) und der Drehachse (11) von dem freien Ende des Umfangsabschnitts (45) hin zu dem Radialabschnitt (41) vergrößert.
Extrusionsvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Umfangabschnitt (45) in der zu dem Einlassende (19) weisende Kante des Umfangsabschnitts (45) eine Aussparung (47) aufweist, durch die sich Material von außen in den Bereich zwischen dem Umfangsabschnitt (45) und der Drehachse (11) bewegen kann.
Extrusionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, wobei eine erste und eine zweite Leitschaufel (39) vorgesehen ist und wobei das freie Ende des Umfangsabschnitts (45) der ersten Leitschaufel (39) von dem Radialabschnitt (41) der zweiten Leitschaufel (39) beabstandet ist.
Extrusionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Extruderschnecke (9) entlang von deren Drehachse (11) verschiebbar in dem Gehäuse (5) aufgenommen ist, wobei ein Drehantrieb (23) vorgesehen ist, der mit dem Einlassende (19) der Extruderschnecke (9) verbunden ist und der ausgestaltet ist, um die Extruderschnecke (9) um die Drehachse (11) drehend anzutreiben, und wobei der Drehantrieb (23) entlang der Drehachse (11) gegenüber dem Gehäuse (5) verfahrbar ist.
Extrusionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Gehäuse (5) ein sich entlang der Drehachse (11) erstreckendes Innenrohr (29) aufweist, in dem die Extruderschnecke (9) aufgenommen ist.
Extrusionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, wobei im Bereich des Auslassbereichs (15) des Gehäuses (5) eine Druckerfassungseinrichtung (31) vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, den Druck im Bereich der Auslassöffnung (17) zu erfassen.
Extrusionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, wobei im Bereich des Auslassbereichs (15) des Gehäuses (5) eine Temperaturerfassungseinrichtung (33) vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, die Temperatur im Bereich der Auslassöffnung (17) zu erfassen.
Verfahren zum Betrieb einer Extrusionsvorrichtung, vorzugsweise einer Extrusionsvorrichtung gemäß Anspruch 19, mit einem Gehäuse (5), mit einer Extruderschnecke (9, die sich in dem Gehäuse (5) entlang einer Drehachse (11) erstreckt und gegenüber dem Gehäuse (5) um die Drehachse (11) drehend angetrieben ist, wobei das Gehäuse (5) an dem oberen Ende einen Einlassbereich (13) und an dem unteren Ende einen Auslassbereich (15) mit einer Auslassöffnung (17) aufweist, die in Verbindung mit dem Bereich in dem Gehäuse (5) steht, in dem die Extruderschnecke (9) aufgenommen ist, und wobei im Auslassbereich (15) des Gehäuses (5) eine Druckerfassungseinrichtung (31) vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, den Druck im Bereich der Auslassöffnung (17) zu erfassen, umfassend die folgenden Schritte: - Erfassen des Drucks im Bereich der Auslassöffnung (17); - Vergleich des erfassten Drucks mit einem Solldruck; - Einstellen der Drehzahl der Extruderschnecke (9) in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs zwischen dem Solldruck und dem erfassten Druck.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Position der Extruderschnecke (9) entlang der Drehachse (11) relativ zu dem Gehäuse (5) verändert wird.
Verfahren zur Herstellung einer Extruderschnecke (9), vorzugsweise einer Extruderschnecke (9) für eine Extrusionsvorrichtung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, umfassend die folgenden Schritte: a) Herstellen eines Rohlings, wobei der Rohling zumindest abschnittsweise ein Aufmaß in Bezug auf eine vorgegebene finale Außenkontur der Extruderschnecke (9) aufweist; b) Gleitschleifen und/oder Polieren zumindest von Abschnitten der Oberfläche des Rohlings; c) mechanisches Bearbeiten, vorzugsweise Drehen und/oder Fräsen des Rohlings; e) Härten des Rohlings; f) mechanisches Bearbeiten, vorzugsweise Drehen und/oder Fräsen, des Rohlings; g) Gleitschleifen zumindest von Abschnitten der Oberfläche des Rohlings; wobei die Schritte b) bis g) derart ausgeführt werden, dass nach dem Ausführen dieser Schritte die vorgegebene finale Außenkontur vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei Schritt a) mit einem additiven Herstellungsverfahren, vorzugsweise selektives Laserschmelzen, ausgeführt wird.