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Die Offenbarung betrifft allgemein eine Werkstoff-Verarbeitungseinheit, die eingerichtet ist, um an eine Spindel einer Vorrichtung mit rechnergestützter numerischer Steuerung (Computer Numerical Control - „CNC“) gekoppelt zu werden, wobei die Werkstoff-Verarbeitungseinheit vollständig oder teilweise durch die Drehung der Spindel gesteuert und/oder mit Strom versorgt wird. Insbesondere betrifft die Offenbarung die Verwendung einer solchen Werkstoff-Verarbeitungseinheit, die einen Extruder aufweist, in einem System und in einem Verfahren zur additiven und subtraktiven Herstellung.
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Hintergrund
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Die Verwendung von CNC-Maschinen zur Herstellung von Bauelementen oder Bauteilen ist in der Industrie weit verbreitet. CNC-Maschinen sind vorteilhaft, da sie Programme zur rechnergestützten Konstruktion (Computer-Aided Design - „CAD“) und rechnergestützten Fertigung (Computer-Aided Manufacturing - „CAM“) einsetzen, um Bauelemente in kontinuierlichen, automatisierten Prozessen gemäß exakten Spezifikationen herzustellen. Die Herstellung eines Bauelements aus einem Rohling oder einem Rohstoff kann die Verwendung von verschiedenen Schneidwerkzeugen erfordern, wie beispielsweise Fräswerkzeugen, Radiuseinsätzen und Bohrern. Aus diesem Grund ermöglichen CNC-Maschinen auch das Austauschen von Werkzeugen während eines kontinuierlichen, automatisierten Herstellungsverfahrens für ein Bauteil oder ein Bauelement.
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Eine Verwendung von CNC-Maschinen besteht in der subtraktiven Herstellung oder in Verfahren, in denen Teile eines Rohlings oder Rohstoffs entfernt werden, zum Beispiel durch Fräsen, Bohren und Schleifen. Für die additive Herstellung oder ein Verfahren der Hinzufügung von Werkstoff in gewissen Formen, um ein Bauteil oder ein Bauelement zu erzeugen, hat die Verwendung von dreidimensionalen („3D“) Druckern sowohl in industriellen als auch Verbraucheranwendungen zugenommen. 3D-Drucken verwendet extrudierte Werkstoffe, häufig Kunststoffe, zum Aufbringen von Werkstoff zum Erzeugen freistehender Teile oder zum Hinzufügen von Bauelementen zu einem bereits bestehenden Bauteil. 3D-Drucker sind jedoch teuer und stellen lediglich geringe Arbeitsvolumina bereit, in denen ein Bauteil hergestellt werden kann.
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Somit wäre eine selbständige Werkstoff-Verarbeitungseinheit, wie beispielsweise eine Extruder-Vorrichtung, die als ein Werkzeug mit einer bereits bestehenden CNC-Maschine austauschbar ist, wünschenswert. Eine CNC-Maschine würde ein größeres 3D-Arbeitsvolumen bereitstellen, mit dem ein Bauteil hergestellt werden könnte, und eine solche austauschbare Extrudervorrichtung würde die Notwendigkeit des Kaufs einer separaten 3D-Druckvorrichtung verringern. Die additive Herstellung, die durch eine Extrudervorrichtung ermöglicht wird, würde die subtraktive Herstellung einer CNC-Maschine ergänzen. Ein Benutzer könnte auf eine CNC-Maschinenkonsole als eine CAD/CAM-Programmierstation zugreifen, um ein kombiniertes additives/subtraktives kontinuierliches und automatisiertes Herstellungsverfahren für ein Bauelement zu programmieren.
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Das Dokument
US 2009/ 0 234 490 A1 offenbart einen Werkzeughalter für eine Maschine. Der Werkzeughalter weist einen Körper mit einem ersten und einem zweiten gegenüberliegenden Ende, einen in dem Körper aufgenommenen Prozessor sowie einen Transceiver auf, der mit dem Körper angeordnet und mit dem Prozessor kommunizieren kann. Der Transceiver ist eingerichtet, mit einem äußeren Empfangsgerät zu kommunizieren.
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Aus dem Dokument
DE 44 22 146 A1 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zum Aufbauen eines Werkstücks mit thermoplastischem Kunststoff durch Auftrag-Extrusionsschweißen bekannt.
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Zusammenfassung
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Die vorliegende Offenbarung stellt daher eine austauschbare Einheit bereit, die eingerichtet ist, an eine CNC-Vorrichtung (CNC - Computer Numerical Control) gekoppelt zu werden, aufweisend: einen Halter, der an eine Spindel der CNC-Vorrichtung koppelt, eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, eine Drehzahl der Spindel als eine Eingabe zu empfangen, und eine Werkstoff-Verarbeitungseinheit, wobei die Werkstoff-Verarbeitungseinheit als Reaktion auf einen ersten Drehzahlbereich der Spindel eine erste Funktion ausführt und als Reaktion auf einen zweiten Drehzahlbereich der Spindel eine zweite Funktion ausführt.
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Die vorliegende Offenbarung stellt auch einen Extruder bereit, der eingerichtet ist, an eine CNC-Vorrichtung gekoppelt zu werden, aufweisend: einen Halter, der an eine Spindel der CNC-Vorrichtung koppelt, und einen Generator, der durch den Halter getragen wird, wobei der Generator eine Drehbewegung der Spindel in Strom für den Extruder umwandelt, wobei der Extruder extrudierten Werkstoff bereitstellt, um als Reaktion auf eine Drehzahl der Spindel ein Bauteil zu bilden.
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Die vorliegende Offenbarung stellt auch ein System für eine additive und / oder subtraktive Herstellung eines Bauteils bereit, aufweisend: eine CNC-Vorrichtung, wobei die CNC-Vorrichtung eine Spindel aufweist, einen Extruder, wobei der Extruder extrudierten Werkstoff bereitstellt, um als Reaktion auf eine Drehzahl der Spindel ein Bauteil zu bilden, einen Generator, der eine Drehbewegung der Spindel in Strom für den Extruder umwandelt, und eine Filamentquelle, die eingerichtet ist, dem Extruder Filament zur Platzierung in einem Raumbereich zum Bilden des Bauteils bereitzustellen.
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Die vorliegende Offenbarung stellt ferner ein Verfahren zur additiven und subtraktiven Herstellung eines Bauteils bereit, umfassend: Bereitstellen eines Halters zum Koppeln mit einer Spindel einer CNC-Vorrichtung, wobei der Halter ferner eingerichtet ist, mit einer Werkstoff-Verarbeitungseinheit und einem Trenn-Werkzeug gekoppelt zu werden, Aufbringen von Werkstoff innerhalb eines Raumbereichs zum Bilden des Bauteils mit der Werkstoff-Verarbeitungseinheit als Reaktion auf eine Drehzahl der Spindel und Entfernen von Werkstoff von dem Bauteil innerhalb des Raumbereichs mit dem Trenn-Werkzeug.
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Die vorliegende Offenbarung stellt ferner einen Extruder bereit, der eingerichtet ist, an eine CNC-Vorrichtung gekoppelt zu werden, aufweisend: einen Mikroprozessor, der den Betriebszustand des Extruders gemäß einer Drehzahl einer Spindel der CNC-Vorrichtung steuert, wobei der Extruder extrudierten Werkstoff bereitstellt, um als Reaktion auf eine Drehzahl der Spindel ein Bauteil zu bilden.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Anhand der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen werden die vorhergehenden Gesichtspunkte der vorliegenden Lehren besser ersichtlich und besser verständlich. Es zeigen:
- 1 eine Vorderansicht einer CNC-Maschine mit einem Steuerpult;
- 2 eine perspektivische Ansicht eines Arbeitsbereichs der CNC-Maschine mit einem Spindelkopf;
- 3 und 4 perspektivische Ansichten eines Werkzeughalters;
- 5, 6 und 7 Diagramme, die die Komponenten einer beispielhaften Werkstoff-Verarbeitungseinheit und einen Halter darstellen, der zur Kopplung an eine CNC-Maschine angepasst ist;
- 8 eine perspektivische Ansicht eines Extruders und Heizers;
- 9 eine perspektivische Ansicht einer 3D-Drucker-Kopfbaugruppe;
- 10 eine perspektivische Vorderansicht einer Ausführungsform der in 5, 6 und 7 beschriebenen Werkstoff-Verarbeitungseinheit;
- 11 und 12 aufgeschnittene Vorderansichten einer beispielhaften Zuführvorrichtung; und
- 13 eine dreidimensionale perspektivische Ansicht der beispielhaften Zuführvorrichtung.
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Die hier offenbarten Ausführungsformen sind nicht als erschöpfend oder die Erfindung auf die genaue, in der folgenden ausführlichen Beschreibung offenbarte Form beschränkend beabsichtigt. Die Ausführungsformen wurden vielmehr ausgewählt und beschrieben, damit der Fachmann ihre Lehren nutzen kann.
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Zunächst unter Bezugnahme auf 1 ist eine Vorderansicht einer CNC-Maschine 100 gezeigt. Die CNC-Maschine 100 umfasst ein Steuerpult 102 mit Benutzersteuerelementen 104 und einem sichtbaren Bildschirm 106. In einer Ausführungsform ermöglichen die Steuerelemente 104 und der sichtbare Bildschirm 106 es einem Benutzer, Bauteilprogramme unter Verwendung herkömmlicher Verfahren zu erzeugen, die das Zugreifen auf Computer-Aided Design („CAD“) und Computer-Aided Manufacturing („CAM“) Programme umfassen. CAD- und CAM-Programme ermöglichen die Herstellung von Bauelementen, um genaue Spezifikationen in kontinuierlichen, automatisierten Verfahren zu erfüllen. Diese Verfahren können sowohl additive als auch subtraktive Herstellung umfassen. Im Mittelpunkt der CNC-Maschine 100 sind ein Arbeitsbereich 108 und Arbeitsteile 112 gezeigt.
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Der Arbeitsbereich 108 weist eine flache Arbeitsfläche 110 auf, derart, dass ein Benutzer einen Rohling oder Rohstoff auf der Arbeitsfläche 110 anordnen kann, um mittels der CNC-Maschine 100 bearbeitet zu werden. Wenn die CNC-Maschine 100 betriebsfähig ist, ist der Arbeitsbereich 108 durch eine Tür oder eine Abschirmung (nicht gezeigt) geschlossen. In einigen Ausführungsformen bleibt der Arbeitsbereich 108 während eines kontinuierlichen, automatisierten Herstellungsprogramms geschlossen. Das Programm kann beginnen, nachdem ein Rohling oder Rohstoff an der Arbeitsfläche 110 angeordnet und die Tür oder Abschirmung geschlossen wurde, und enden, nachdem das Programm ein Bauteil durch Steuerung des Betriebs der Arbeitsteile 112 gemäß den durch den Benutzer eingegebenen Spezifikationen erzeugt hat. Das kontinuierliche, automatisierte Herstellungsprogramm der vorliegenden Offenbarung kann ein subtraktives Herstellungsprogramm, ein additives Herstellungsprogramm oder eine Kombination aus sowohl subtraktiver als auch additiver Herstellung sein. Es versteht sich ferner, dass die Arbeitsteile 112 eine Spindel und mehrere Achsen (linear und/oder geneigt) umfassen, die durch Servomotoren gesteuert werden.
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Subtraktive Herstellung umfasst Schleifen, Bohren, Aufbohren, Schaben, Fräsen und Schneiden, ist aber nicht darauf beschränkt. Additive Herstellung umfasst Extrudieren, das häufig unter Verwendung von formbaren und fließfähigen Kunststoffen durchgeführt wird, ist aber nicht darauf beschränkt. Andere Werkstoffe, die in einem additiven Herstellungsprogramm verwendet werden können, umfassen Gummi, Metalle, Epoxide, Kleber oder Verbundwerkstoffe. In einigen Ausführungsformen ordnet ein Benutzer keinen Rohling oder Rohstoff an dem Arbeitsbereich 110 an und der Arbeitsbereich 108 wird geschlossen, wonach ein additives und subtraktives Herstellungsprogramm begonnen wird. Gemäß Ausführungsformen der Offenbarung kann der Werkstoff für die additive Herstellung vor, während und nach einem Herstellungsverfahren vollständig innerhalb des Arbeitsbereichs 108 angeordnet sein. Additive und subtraktive Herstellung umfasst in einigen Ausführungsformen ferner das Erhitzen, Kühlen und/oder Aushärten von Werkstoff, wahlweise mit Lasern, UV-Lichtern und/oder Fluidströmen, innerhalb des Arbeitsbereichs 108.
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Immer noch unter Bezugnahme auf 1, werden die Arbeitsteile 112 (die in der Folge unter Bezugnahme auf 2 mit mehr Details beschrieben sind) der CNC-Maschine 100 programmiert, um sich gemäß einer Benutzereingabe zu bewegen, um eine spezifische Form zu erzeugen. Wie vorhergehend angegeben, umfassen die Arbeitsteile 112 eine Spindel und einen Spindelkopf (in der Folge mit mehr Details beschrieben). Während eines kontinuierlichen, automatisierten Herstellungsprogramms bewegen sich die Arbeitsteile 112 innerhalb des Arbeitsbereichs 108, um ein Bauteil oder ein Bauelement zu erzeugen. In einer Ausführungsform sind die Arbeitsteile 112 mit Schneidwerkzeugen in einem subtraktiven Herstellungsprogramm gekoppelt. In anderen Ausführungsformen sind die Arbeitsteile 112 während eines additiven Herstellungsverfahrens mit einem Extruder gekoppelt. In einer Ausführungsform koppeln sich die Arbeitsteile 112 während eines kontinuierlichen automatisierten Herstellungsprogramms, das sowohl additive als auch subtraktive Herstellung verwendet, um ein Bauelement zu erzeugen, austauschbar mit subtraktiven Herstellungswerkzeugen, wie beispielsweise einem Fräswerkzeug, und additiven Herstellungswerkzeugen, wie beispielsweise einem Extruder.
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Die Begriffe „koppeln“ und „Kopplung“ werden hier verwendet, um eine Verbindung für Maschinenteile zu bezeichnen, die im Fach bekannt ist, die Verbindungen mit Bolzen, Schrauben, Gewinden, Magneten, Elektromagneten, Haftmitteln, Reibungsschluss, Schweißen, Schnappverbindungen, Klemmverbindungen usw. umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind.
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Nun ist unter Bezugnahme auf 2 eine perspektivische Ansicht des Arbeitsbereichs 108 in der CNC-Maschine 100 gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform ist der Arbeitsbereich 108 der Arbeitsbereich eines CNC-Maschinenmodells mit fünf Achsen und die Achsen werden in der Folge weiter beschrieben. Die Arbeitsteile 112 umfassen einen Spindelkopf 120 mit einem oberen Abschnitt 121 und einem unteren Abschnitt 122. Der obere Abschnitt 121 umfasst ein Motorgehäuse 123 und ein Kopfgussteil 124 zwischen dem oberen Abschnitt 121 und dem unteren Abschnitt 122. Der untere Abschnitt 122 umfasst eine Spindel 125 und Kopplungsschlüssel 126. Die Spindel 125 weist eine untere flache Fläche 127 auf und die Schlüssel 126 erstrecken sich unter der Fläche 127 nach unten. In der gezeigten Ausführungsform sind drei Kopplungsschlüssel vorhanden; es können auch mehr oder weniger sein. Eine im Fach bekannte Kombination einer Spindel und von Schlüsseln, die zur austauschbaren Kopplung mit einem Halter, insbesondere einem Werkzeughalter (in der Folge mit mehr Details beschrieben), in der Lage ist, können vorgesehen sein. Die Spindel 125 und die Schlüssel 126 können austauschbar mit subtraktiven Herstellungswerkzeugen, wie beispielsweise Bohrern, und additiven Herstellungswerkzeugen, wie beispielsweise Extrudern oder anderen Werkstoff-Verarbeitungseinheiten, die hier beschrieben sind, gekoppelt werden.
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Immer noch unter Bezugnahme auf 2 weist die Arbeitsfläche 110 Rillen 130 und einen optionalen Arbeitstisch 132 auf. Die Rillen 130 erleichtern das Befestigen von zu bearbeitendem Werkstoff oder das Befestigen einer Spannvorrichtung, wie beispielsweise eines Arbeitstischs 132, oder anderer Werkstoffhalter an der Arbeitsfläche 110. Der Arbeitstisch 132 weist eine flache Oberfläche 134 und eine untere Fläche zum Einpassen in den Rillen 136 auf. Die obere Fläche 134 ermöglicht das Anbringen eines Rohlings oder eines Bauteils aus Rohstoff an dem Arbeitstisch 132 für entweder additive oder subtraktive Herstellung durch den Spindelkopf 120 und ein Werkzeug (nicht gezeigt), das durch Schlüssel 126 an die Spindel 125 gekoppelt ist. Der Arbeitstisch 132 ist innerhalb der Rillen 130 an der Arbeitsfläche 110 befestigt. Aus diesem Grund bewegt sich, wenn die Arbeitsfläche 110 sich in die X- und Y-Richtungen bewegt, der Arbeitstisch 132 oder andere befestigte Einheiten mit der Arbeitsfläche 110. Die flache obere Fläche 134 dreht sich um eine Drehachse C (nicht gezeigt), wobei die obere Fläche 134 sich um eine Mittelachse dreht.
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Die Arbeitsteile 112 umfassen eine Kugelgewindespindel 138, die die Bewegung des Spindelkopfs 120 in die Richtungen Z1 und Z2 während eines Herstellungsverfahrens erleichtert. Der Spindelkopf 120 kann sich drehbar in die Richtungen R1 und R2 bewegen, um es einem Werkzeug zu ermöglichen, während eines Herstellungsverfahrens aus verschiedenen Winkeln auf einem Bauteil zu arbeiten, das auf der oberen Fläche 134 angebracht ist. Zusätzlich kann sich die Arbeitsfläche 110 während eines Herstellungsverfahrens in die Richtungen Y1 und Y2 bewegen. Die beschriebene Bewegung der Teile in die Richtungen X, Y, R, C und Z wird in einer Ausführungsform gesteuert, um Werkzeugwege zu ermöglichen, die zum Bilden eines Bauteils erforderlich sind, das eine Geometrie aufweist, die gemäß einer Benutzereingabe in einem Teileprogramm spezifiziert ist. Es versteht sich, dass, obgleich die Offenbarung eine CNC-Maschine mit fünf Achsen betrifft, die Lehren der vorliegenden Offenbarung auch auf CNC-Maschinen angewandt werden können, die mehr oder weniger als fünf Achsen aufweisen.
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Unter Bezugnahme auf 3 ist ein beispielhafter Werkzeughalter 140 gezeigt. Der Halter 140 weist einen oberen Abschnitt 142 und einen unteren Abschnitt 144 auf. Ein im Wesentlichen kegelförmiges Gehäuse 146 erstreckt sich vom oberen Abschnitt 142 in Richtung des unteren Abschnitts 144. Das Gehäuse 146 weist eine schmale obere Öffnung 148, eine breite untere Öffnung 150 und eine äußere Fläche 152 auf. Ein im Wesentlichen kreisförmiger äußerer Ring 154 umfasst die untere Öffnung 150 und weist, wie gezeigt, einen Ausleger 155 auf. Der äußere Ring 154 umfasst eine untere Fläche 158 und eine flache obere Fläche 156.
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Der Ausleger 155 kann ein Halteelement halten (in der Folge weiter beschrieben), das wiederum eine Filamentquelle oder einen Drehsicherungsschlüssel halten kann. Der Halter 140 kann mehr oder weniger Halteelemente als in der gezeigten Ausführungsform um den äußeren Ring 154 herum aufweisen.
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Immer noch unter Bezugnahme auf 3 weist der Halter 140 ein kegelförmiges Spinnelement 160 auf, das sich durch das Gehäuse 146 von einem schmalen oberen Verbindungsabschnitt 162 zu einem breiten unteren Verbindungsabschnitt 164 erstreckt. Wenn der Halter 140 an die Spindel 125 (in 2 gezeigt) gekoppelt ist, wird die äußere Fläche 152 des Halters 140 fest innerhalb der Spindel 125 gehalten. Die Schlüssel 126 können beim Koppeln des Halters 140 innerhalb der Spindel 125 durch Greifen einer Lasche (nicht gezeigt) über dem schmalen Verbindungsabschnitt 162 helfen.
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Wenn der Halter 140 mit der Spindel 125 gekoppelt ist, stößt die obere Fläche 156 des äußeren Rings 154 gegen die untere Fläche 127 der Spindel 125 an. Die äußere Fläche 152 des Halters 140 ist an die Spindel 125 gekoppelt und wird fest darin gehalten, wenn der Halter 140 und die Spindel 125 gekoppelt sind. Die untere Fläche 158 des äußeren Rings 154 und der untere Verbindungsabschnitt 164 werden in einer Ausführungsform verwendet, um sich austauschbar mit einem Werkzeug zu koppeln, zum Beispiel mit einer selbständigen Werkstoff-Verarbeitungseinheit oder einer Extrudervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung. In anderen Ausführungsformen ist kein konisches mittleres Spinnelement in einem Werkzeughalter erforderlich.
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Werkzeughalter sind im Fach allgemein bekannt und es ist ein beliebiger Werkzeughalter vorgesehen, der sich zum festen Koppeln mit einem Spindelkopf eignet und einem mit dem Werkzeughalter gekoppelten Werkzeug an einem unteren Abschnitt des Werkzeughalters eine Drehung verleiht. In der Ausführungsform von 3 drehen sich, wenn der Werkzeughalter 140 mit der Spindel 125 gekoppelt ist, die Spindel 125, das Gehäuse 146 und das mittlere Spinnelement 160 gemeinsam. Die Drehung des Halters 140 kann einem Generator ein Drehmoment bereitstellen zur Stromversorgung einer Elektronik der in der Folge beschriebenen Werkstoff-Verarbeitungseinheit. Die räumliche Anordnung der Spindel 125 in Bezug zu einem Bauteil (gemäß den Richtungen X, Y, R, C und Z von 2) steuert die räumliche Anordnung des gekoppelten Halters 140. Sowohl die Drehzahl des Halters 140 (im Wesentlichen die gleiche wie die Drehung der Spindel) als auch die räumliche Anordnung der Spindel 125 können als Steuersignale oder Logik für eine Werkstoff-Verarbeitungseinheit wirken.
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Zusätzlich ist der Halter 140 abnehmbar oder austauschbar mit der Spindel 125 gekoppelt, derart, dass während eines kontinuierlichen Herstellungsprogramms auf einer CNC-Maschine Werkzeughalter automatisch (mittels eines automatischen Werkzeugwechslers) mit der Spindel gekoppelt und davon entkoppelt werden können, wenn verschiedene Typen von Werkzeugen, wie beispielsweise additive und subtraktive Werkzeuge, erforderlich sind, um das CNC-Programm auszuführen.
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Nun ist unter Bezugnahme auf 4 ein Halter 140 mit einer Drehkopplung 170 gezeigt, die an den Halter 140 am unteren Abschnitt 144 gekoppelt ist. Die Kopplung 170 ist allgemein kreisförmig mit einem länglichen hervorstehenden Abschnitt 171. Der hervorstehende Abschnitt 171 erstreckt sich über den äußeren Durchmesser des unteren Abschnitts 144 des Halters 140 hinaus und ist mit dem Halteelement 172 und einem Drehsicherungsschlüssel 174 gezeigt. Der Drehsicherungsschlüssel 174 ist allgemein zylindrisch und ist innerhalb einer Bohrung (nicht gezeigt) im Halteelement 172 gekoppelt.
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Die in 4 gezeigte Ausführungsform weist ein Halteelement 172 auf der Drehkopplung 170 auf; es können auch mehrere Halteelemente verwendet werden, zum Beispiel zum Halten einer Filamentzufuhrquelle an einer anderen Position auf der Drehkopplung 170. In einer Ausführungsform koppelt der Drehsicherungsschlüssel 174 mit dem Kopfgussteil 124 des Spindelkopfs 120, wenn der Halter 140 mit der Spindel 125 gekoppelt ist (in 2 gezeigt), um eine Drehung der Drehkopplung 170 zu verhindern. Dadurch drehen sich Komponenten, die durch die Kopplung 170 getragen werden, wie beispielsweise die Filamentzufuhrquelle, wie in der Folge beschrieben, nicht mit dem Halter 140. Ein solcher beispielhafter Halter kann vom Typ der Slimline Series von Alberti Spindle Driven Tools sein.
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Nun unter Bezugnahme auf 5 ist ein Diagramm der Komponenten einer eigenständigen Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 gezeigt. Die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 ist durch einen Halter 194 mit einer Spindel 192 einer CNC-Maschine gekoppelt. Die Spindel 192 ist unter einem Spindelkopf 190 angeordnet, ähnlich wie die Spindel 125 und der Spindelkopf 120, die in 2 gezeigt sind. So umfasst die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 alle gezeigten Komponenten außer der Spindel 192 und dem Spindelkopf 190 und die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 umfasst wahlweise den Halter 194 oder die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 ist wahlweise abnehmbar an den Halter 194 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen sind die Komponenten, die in 2 bis 4 angezeigt sind, repräsentativ für die Komponenten, auf die in 5 bis 7 und 10 Bezug genommen wird.
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Immer noch unter Bezugnahme auf 5, weist der Halter 194 einen äußeren Ring 196 auf. Diese Komponenten können dem Halter 140 und dem äußeren Ring 154 von 3 ähnlich sein. Die Drehkopplung 198, die der Drehkopplung 170 ähnlich sein kann, die in 4 gezeigt ist, koppelt den Halter 194 und den äußeren Ring 196 an einen Generator 200, einen Mikrocontroller 202, einen Heizer 204, einen Schrittmotor 206, einen Extruder 208 und eine Zuführvorrichtung 218. Ein Halteelement 210 und Drehsicherungsschlüssel 214 sind gezeigt und können dem Halteelement 172 und dem Drehsicherungsschlüssel 174, die in 4 gezeigt sind, ähnlich sein. In der gezeigten Ausführungsform ist der Halteelement 210 an die Drehkopplung 198 gekoppelt. Es kann sein, dass die in 5 gezeigten Komponenten nicht sichtbar sind, wenn die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 verwendet wird, und die Einheiten können durch abnehmbare Abdeckungen oder Hüllen abgedeckt sein.
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Insbesondere können die Komponenten der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 auf unterschiedliche Art und Weise angeordnet oder ausgestaltet sein, um eine effiziente Vorrichtung bereitzustellen. Zum Beispiel können der Schrittmotor 206 und der Extruder 208 dem Heizer 204 vorgelagert sein oder es kann wahlweise kein Schrittmotor 206 vorhanden sein. Andere Mittel zum Zuführen von Filament von der Filamentzufuhrquelle 216 zur Zuführvorrichtung 218, wie beispielsweise ein/e oder mehrere Servomotoren, Linearstellglieder, Vorrichtungen zum Anwenden von Überdruck, Vorrichtungen zum Anwenden eines Vakuums und andere zweckmäßige Stellglieder, die im Fach bekannt sind, können verwendet werden.
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Der Drehsicherungsschlüssel 214, der zwischen dem Spindelkopf 190 und dem Halteelement 210 positioniert ist, kann wahlweise einen Stromversorgungsanschluss oder andere Versorgungsleitungen zwischen dem Spindelkopf 190 der CNC-Maschine 100 und dem Halteelement 210 der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 aufnehmen. Auf diese Weise kann die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 durch den Drehsicherungsschlüssel 214 mit Strom versorgt werden. Zusätzliche Versorgungsleitungen, die beispielsweise ein Fluid bereitstellen, das zur Verwendung mit der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 erforderlich ist, oder andere betriebsfähige Elemente, die durch die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 benötigt werden, können auch von dem Spindelkopf 190 durch den Drehsicherungsschlüssel 214 der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 bereitgestellt werden.
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Die Drehkopplung 198 umfasst ein zweites Halteelement 212, das an eine Filamentzufuhrquelle 216 gekoppelt ist. In der gezeigten Ausführungsform rotieren oder drehen sich der Halter 194 und der äußere Ring 196, wenn die Spindel 192 rotiert. Der Spindelkopf 190 ist ortsfest, wenn die Spindel 192 sich dreht, und wenn die Drehkopplung 198 einen Drehsicherungsschlüssel 214 aufweist, der an den Spindelkopf 190 gekoppelt ist, drehen sich die Drehkopplung 198, der Generator 200, der Mikrocontroller 202, der Heizer 204, der Schrittmotor 206, der Extruder 208, das Halteelement 210, das Halteelement 212, der Drehsicherungsschlüssel 214 und die Filamentzufuhrquelle 216 nicht mit der Spindel 192, dem Halter 194 und dem äußeren Ring 196.
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Die Drehkopplung 198 ermöglicht, dass die Spindel 192 und der Halter 194 in dem Generator 200 eine Rotation bereitstellen. In einigen Ausführungsformen weist die Drehkopplung 198 ein oder mehrere Innenlager oder Getriebe auf. In einer Ausführungsform ist der Generator 200 ein Gleichstromgenerator; die Verwendung von anderen Generatortypen ist ebenfalls möglich. In einigen Ausführungsformen versorgt der Generator 200 andere Komponenten in der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188, die Strom benötigen, wie beispielsweise der Mikrocontroller 202, der Heizer 204, der Schrittmotor 206 und der Extruder 208, mit Strom. Es ist eine zweckmäßige Verbindung zwischen dem Generator 200 und anderen Komponenten, die Strom benötigen, vorgesehen. Der Generator kann direkt mit anderen Komponenten verbunden werden oder die Komponenten können in Reihe oder unter Verwendung anderer Ausgestaltungen, die im Fach bekannt sind, verbunden werden. Der Generator 200 kann auch einen oder mehrere Akkumulatoren (nicht gezeigt) in der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 laden.
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Dem Extruder 208 wird durch die Filamentzufuhrquelle 216 ein Filament zugeführt. In einigen Ausführungsformen ist die Filamentzufuhrquelle 216 an das Halteelement 212 gekoppelt, das an die Drehkopplung 198 gekoppelt ist, aber in anderen Ausführungsformen muss die Filamentzufuhrquelle nicht an der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 angebracht sein. Mit der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 können mehr Filamentzufuhrquellen verwendet werden, um eine einzelne gemischte Zufuhr, mehrere getrennte Zufuhren oder mehrere gemischte Zufuhren bereitzustellen. Die Filamentzufuhrquelle 216 kann ein Behälter sein, der eingerichtet ist, ein Filament oder einen anderen extrudierbaren Werkstoff zu halten, der beim 3D-Drucken verwendet wird. In bestimmten Ausführungsformen stellt die Filamentzufuhrquelle 216 einen Kasten, eine Spule, eine Rolle oder eine andere Einheit dar, die in der Lage ist, Kunststoff, Gummi, Metall oder andere Filamente zu halten, die beim 3D-Drucken verwendet werden. Die Filamentzufuhrquelle 216 kann ständig oder austauschbar an der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 befestigt sein. Eine beispielhafte Filamentzufuhrquelle weist zwei oder mehr Kammern auf, die zwei oder mehr Werkstoffe halten, die ausgestoßen und durch Anwenden von Überdruck auf einen Kolben über lineare Betätigung gemischt werden, wie beispielsweise eine Epoxydmischung.
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Der Filamentfluss ist in 5 durch geradlinige Pfeile gezeigt, die von der Filementzufuhrquelle 216 durch den Heizer 204, den Schrittmotor 206 und den Extruder 208 und durch die Zuführvorrichtung 218 hinaus verlaufen. Der Heizer 204 stellt dem Filament Wärme bereit, um das Filament verformbar und fließfähig zu machen, derart, dass es durch die Zufuhrvorrichtung 218 austreten kann, die Querschnitte mit unterschiedlichen Formen und Durchmessern aufweisen kann.
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Die Begriffe „Extruder“ und „Extrusion“ betreffen, so wie sie hier verwendet werden, ein kontinuierliches oder halb kontinuierliches Verfahren zum Ziehen oder Drücken eines verformbaren oder fließfähigen Werkstoffs durch eine Zuführvorrichtung mit einem gewünschten Querschnitt. So kann der Schrittmotor 206 ein Motor sein, der in der Lage ist, ein Filament in den Heizer zu ziehen oder zu drücken und das Filament durch den Extruder und die Zuführvorrichtung zu drücken. In anderen Ausführungsformen ist indes kein Schrittmotor erforderlich, wenn der Fluss von der Filamentzuführung durch den Heizer zum Extruder und heraus durch die Zuführvorrichtung basierend auf der Zuführung des Filaments und der Viskosität des Werkstoffs kontinuierlich ist. Zum Beispiel kann eine Filamentzufuhrquelle sich selbst abwickeln, wodurch einem Heizer Werkstoff bereitgestellt wird, und wenn, nachdem er erhitzt wurde, die Viskosität des Filaments niedrig genug ist, kann es ohne einen Schrittmotor durch den Extruder und die Zuführvorrichtung zu einem Bauteil in einen Arbeitsbereich fließen.
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Die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 kann ferner Kühlgebläse, Wärmesenken und/oder Kühlschleifen aufweisen, die wahlweise durch den Mikrocontroller 202 gesteuert werden, um an der Steuerung der Temperatur der Komponenten, wie beispielsweise des Heizers 204 und Extruders 208, teilzuhaben.
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Die Reihenfolge der Komponenten in 5 ist lediglich beispielhaft für eine mögliche Ausgestaltung einer selbständigen Extruder-Einheit und eine andere funktionsfähige Reihenfolge oder Ausgestaltung der Komponenten ist ebenfalls möglich, wie diejenige, die in 7 und 10 gezeigt sind. Die Zuführvorrichtung 218 kann in einigen Ausführungsformen ausgestaltet sein, um andere Komponenten, wie beispielsweise den Heizer 204, unterzubringen, um Wärme für eine Filamentzuführung bereitzustellen.
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Unter Bezugnahme auf 6 ist ein konzeptionelles Diagramm gezeigt, das die Komponenten der selbständigen Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 veranschaulicht. Wie erwähnt, drehen sich, wenn der Halter 194 und der äußere Ring 196 an die Spindel einer CNC-Maschine gekoppelt sind (die durch die Spindel 192 in 5 dargestellt ist), der Halter 194 und der äußere Ring 196, wenn die Spindel sich dreht. Ein Drehzahlsensor 220 misst und bestimmt die Drehzahl der Spindel, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Drehzahl des Halters 194, da sie miteinander gekoppelt sind. Die Pfeile zwischen dem Drehzahlsensor 220 und dem Mikrocontroller 202 stellen die Informationen dar, die durch den Drehzahlsensor 220 gewonnen und in den Mikrocontroller 202 eingespeist werden. Die Informationen, die die Drehzahl der Spindel 192 betreffen, können unter Verwendung eines oder mehrerer Drehzahlmonitore oder -sensoren gemessen werden, der im Fach bekannt sind, und die sich auf der Spindel 192 oder auf dem Halter 194 befinden können oder sich entfernt von der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 und nicht damit in Kontakt befinden können. Zusätzlich können die Informationen, die die Drehzahl betreffen, mittels einer Drahtverbindung, drahtlos oder mittels eines Netzwerks an den Mikrocontroller 202 oder andere Steuerungsvorrichtungen übertragen werden.
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In einer Ausführungsform ist der Mikrocontroller 202 programmiert, den Betriebszustand des Heizers 204, des Schrittmotors 206 und des Extruders 208 zu steuern. In einigen Ausführungsformen ist der Mikrocontroller 202 vorprogrammiert, um ausschließlich basierend auf der Drehzahl der Spindel zu arbeiten unabhängig von Benutzereingaben von außen. Der Mikrocontroller 202 interpretiert dann unter Verwendung von Logik (die in der Folge weiter beschrieben wird), wann Werkstoff aufzubringen ist oder eine andere Werkstoff-Verarbeitungsfunktion durchzuführen ist, lediglich basierend auf der Drehzahl der Spindel gemäß der Messung durch den Drehzahlsensor 220 und muss nicht direkt mit den Steuerelementen der CNC-Maschine 100 kommunizieren. In anderen Ausführungsformen gibt ein Benutzer eine Logik für den Mikrocontroller 202 ein, beispielsweise durch das Steuerpult 102 der CNC-Maschine 100 mit CAD- und CAM-Programmen.
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In noch anderen Ausführungsformen weist der Mikrocontroller 202 mindestens drei Betriebsarten auf. In einer ersten Betriebsart befinden sich der Heizer 204, der Schrittmotor 206 und der Extruder 208 in einem „Aus“-Zustand oder sind nicht betriebsfähig. Eine solche Betriebsart ist für die CNC-Maschine 100 erforderlich, wenn die Spindel 125 die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 für ein anderes Werkzeug, möglicherweise ein subtraktives Werkzeug, ausschalten muss. Ein Aus-Zustand ist auch für Situationen erforderlich, in denen die CNC-Maschine 100 nicht verwendet wird.
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In einer zweiten Betriebsart befindet sich ein Heizer 204 in einem betriebsfähigen oder „Ein“-Zustand, um Filament innerhalb des Heizers zu erhitzen, um es verformbar oder fließfähig zu machen. In einer Ausführungsform zieht der Schrittmotor 206 Filament von der Filamentzufuhrquelle 216 zum Heizer 204. In anderen Ausführungsformen führt die Filamentzufuhrquelle selbst dem Heizer das Filament durch Abwickeln, Drehen, Ausgeben oder ein anderes Zufuhrmittel zu. Die Zufuhrmittel der Filamentzufuhrquelle sowie alle anderen Komponenten auf der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 können durch den Generator 200 mit Strom versorgt werden.
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In einer dritten Betriebsart führt der Extruder 208 Werkstoff durch die Zuführvorrichtung 218 zu oder bringt ihn auf. In dieser Betriebsart sind der Heizer 204 und der Schrittmotor 206 (falls einer verwendet wird) betriebsfähig, wenn Filament von der Filamentzufuhrquelle 216 in den Heizer 204 übertragen wird. In anderen Ausführungsformen sind mehr oder weniger Betriebsarten vorhanden, wie beispielsweise Betriebsarten, in denen der Heizer 204 bei unterschiedlichen Temperaturen arbeitet (siehe zum Beispiel Tabelle 1). In noch anderen Ausführungsformen wird die Betriebsart, in der der Heizer 204, der Schrittmotor 206 und der Extruder 208 arbeiten, durch die Drehzahl der Spindel einer CNC-Maschine gesteuert, wenn sie durch den Drehzahlsensor 220 gemessen und durch den Mikrocontroller 202 interpretiert wird. Wenn zum Beispiel die Umdrehungen pro Minute (U/min) der Spindel zwischen 0 und 4999 U/min liegen, befinden sich der Heizer 204, der Schrittmotor 206 und der Extruder 208 in einer „Aus“-Betriebsart, in der sie nicht betriebsfähig sind. Wenn die Drehzahl der Spindel auf zwischen 5000 und 5099 U/min erhöht wird, ändert sich die Betriebsart in eine „Hitze“-Betriebsart, in der der Heizer 204, möglicherweise gemeinsam mit dem Schrittmotor 206, betriebsfähig ist, je nachdem, ob Filament in den Heizer 204 gezogen werden muss, um erhitzt zu werden.
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Ferner treten, wenn die Drehzahl der Spindel auf 5100 U/min oder höher erhöht wurde, der Heizer 204, der Schrittmotor 206 und der Extruder 208 in eine „Zufuhr“-Betriebsart ein und das erhitzte Filament wird kontinuierlich durch die Zuführvorrichtung 218 zu einem Bauteil in dem Arbeitsbereich 108 zugeführt, der in 1 gezeigt ist. Der Mikrocontroller 202 kann eingerichtet sein, eine Programmierlogik für Betriebsarten von den Steuerelementen der CNC-Maschine und von externen Rechenprogrammen zu empfangen. Alternativ kann ein Mikrocontroller durch eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung oder über ein Netzwerk programmiert werden. Der Mikrocontroller 202 kann einen Speicher aufweisen.
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Ferner kann der Mikrocontroller 202 als eine Komponente in einer Leiterplatte oder Schaltungsausgestaltung in der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 eingerichtet sein. Die Drehzahlen, die vorhergehend bereitgestellt werden, dienen lediglich als Beispiel und es können andere Drehzahlbereiche (wie beispielsweise diejenigen, die in Tabelle 1 gezeigt sind) verwendet werden, um Betriebsarten zu bezeichnen, solange die Drehzahl dem Generator ausreichend Rotation bereitstellt, um erforderliche Komponenten in der gewünschten Betriebsart mit Strom zu versorgen (wenn die Drehung verwendet wird, um die Werkstoff-Verarbeitungseinheit mit Strom zu versorgen). In anderen Ausführungsformen ist der Mikrocontroller 202 programmiert, um Betriebsarten basierend auf der Position einer Spindel oder Spindeln innerhalb einer CNC-Maschine zu steuern.
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Daher können in einer Ausführungsform Programmiereingaben von einem Benutzer verwendet werden, um die Spindeldrehzahl und/oder Spindelstellung einer CNC-Maschine zu steuern, wodurch es wiederum einem programmierten Mikrocontroller ermöglicht wird, geeignete Betriebsarten einer Werkstoff-Verarbeitungseinheit, wie beispielsweise eines Extruders, zu bestimmen, derart, dass der Extruder Werkstoff an zweckmäßigen Zeitpunkten während eines kontinuierlichen automatisierten Herstellungsprogramms aufbringt. In anderen Ausführungsformen kann in Abhängigkeit von der Temperatur des Heizers, die erforderlich ist, um einen Filamenttyp zu erhitzen, und dem Gesamtstrombedarf der Komponenten die Drehung der Spindel gesteuert werden, um dem Generator mehr oder weniger Rotation bereitzustellen.
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Andere Ausführungsformen der Erfindung umfassen nicht nur eigenständige Extrudereinheiten sondern auch eigenständige Werkstoff-Verarbeitungseinheiten, wobei der Betriebszustand der Werkstoff-Verarbeitungseinheit, der von einer Vielzahl von potenziellen Betriebszuständen ausgewählt wird, zumindest teilweise durch die Drehzahl der Spindel einer CNC-Maschine gesteuert wird. Zum Beispiel kann in einem ersten Drehzahlbereich der Spindel eine Werkstoff-Verarbeitungseinheit eine erste Funktion ausführen und in einem zweiten Drehzahlbereich der Spindel kann die Werkstoff-Verarbeitungseinheit eine zweite Funktion ausführen. Eine eigenständige Werkstoff-Verarbeitungseinheit kann doppelte Extrusionseinheiten (beispielsweise zwei oder mehr Einheiten, die derjenigen ähnlich sind, die in 5 bildlich dargestellt ist) und einen Mischkopf aufweisen, derart, dass zwei oder mehr Werkstoffe in verschiedenen Werkstoff-Mischungsverhältnissen extrudiert oder auf eine andere Art und Weise nebeneinander auf ein Bauteil extrudiert oder getrennt auf ein Bauteil aufgebracht werden können.
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In einer Ausführungsform werden mehrere Werkstoffe in veränderlichen Verhältnissen zu einem Arbeitsbereich hinzugefügt, wobei die Verhältnisse durch die Drehzahl der Spindel gesteuert werden. Diese Werkstoffe können Metalle, Gummi, Kunststoffe, Epoxide, Verbundwerkstoffe, Kleber oder andere Werkstoffe zur Verwendung bei der Bearbeitung von Bauteilen umfassen. Zusätzlich kann eine eigenständige Werkstoff-Verarbeitungseinheit Trenn-Werkzeuge (subtraktive Werkzeuge), wie beispielsweise Schneidwerkzeuge, Schleifmaschinen usw. umfassen, die in verschiedenen Betriebszuständen und möglicherweise abwechselnd mit additiven Einheiten basierend auf der Drehzahl der Spindel der CNC-Maschine arbeiten. Die Werkstoff-Verarbeitungseinheit kann ein/en oder mehrere Laser, Schweißgeräte, Lichtbogenschweißgeräte, Werkstoff-Aushärtungsvorrichtungen, UV-Lichter, Heizer, Kühler, Luftströme, Wasserströme oder andere Einheit aufweisen, die bei einer CNC-Maschine nützlich ist.
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Tabelle 1 unten stellt eine veranschaulichende Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bereit, wobei veränderliche Drehzahlbereiche der Spindel einer CNC-Maschine verwendet werden, um Betriebszustände einer selbständigen automatisch verbindbaren und abnehmbaren Werkstoff-Verarbeitungseinheit zu steuern.
Tabelle 1. Steuerungsfunktionen basierend auf variierenden Spindeldrehzahlen in U/min.
| Spindel U/ min | Systemrücksetzen | Niedrige Kalibrierung | Optionale Funktionen | Mischungsverhältnis (%A/B) | Mittlere Kalibrierung | Primärerhitzung (°C) | Sekun- därerhitzung (°C) | Zuführrate (Teil „A“ / Teil „B“) (mm/s) | Obere Kalibrierung |
| 0 | Vollst. Rücksetzen System | | | | | | | | |
| 1000 | | Kalibrierung einstel len | | | | | | | |
| 1100 | | | Wärme abschalten & abkühlen | | | | | | |
| 1200 | | | Standby -- Einstellungen wiederholen | | | | | | |
| 1300 | | | Kal. speichern, Einstellungen neu programmieren | | | | | | |
| 3000 | | | | 0
(Einzel oder keine Mischung) | | | | | |
| 3020 | | | | 2 | | | | | |
| 3040 | | | | 4 | | | | | |
| 3060 | | | | 6 | | | | | |
| 3080 | | | | 8 | | | | | |
| 3100 | | | | 10 | | | | | |
| 3200 | | | | 20 | | | | | |
| 3900 | | | | 90 | | | | | |
| 4000 | | | | | Kalibrierung einstellen | | | | |
| 4100 | | | | | | 100 | | | |
| 4125 | | | | | | 105 | | | |
| 4150 | | | | | | 110 | | | |
| 4175 | | | | | | 115 | | | |
| 4200 | | | | | | 120 | | | |
| 4800 | | | | | | 220 | | | |
| 5300 | | | | | | 340 | | | |
| 5400 | | | | | | | 100 | | |
| 5425 | | | | | | | 105 | | |
| 5450 | | | | | | | 110 | | |
| 5475 | | | | | | | 115 | | |
| 5500 | | | | | | | 120 | | |
| 6000 | | | | | | | 220 | | |
| 6600 | | | | | | | 340 | | |
| 6700 | | | Erhitzt bleiben & Einstellungen wiederholen | | | | | | |
| 6750 | | | Filamentwechsein | | | | | | |
| 6800 | | | | | | | | 50 (AUS / AUS) | |
| 6810 | | | | | | | | 50 (EIN / AUS) | |
| 6820 | | | | | | | | 50 (EIN / EIN) | |
| 6830 | | | | | | | | 50 (AUS / EIN) | |
| 6840 | | | | | | | | 52 (AUS / AUS) | |
| 6850 | | | | | | | | 52 (EIN / AUS) | |
| 6860 | | | | | | | | 52 (EIN / EIN) | |
| 6870 | | | | | | | | 52 (AUS / EIN) | |
| 6880 | | | | | | | | 54 (AUS / AUS) | |
| 6890 | | | | | | | | 54 (EIN / AUS) | |
| 6900 | | | | | | | | 54 (EIN / EIN) | |
| 6910 | | | | | | | | 54 (AUS / EIN) | |
| 7000 | | | | | | | | 60 | |
| 7400 | | | | | | | | 80 | |
| 7800 | | | | | | | | 100 | |
| 9800 | | | | | | | | 200 | |
| 10000 | | | | | | | | | Kalibrierung einstellen |
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Selbstverständlich ist Tabelle 1 nur beispielhaft und es können andere Drehzahlbereiche für die gezeigten Funktionen oder andere Funktionen der Vorrichtung verwendet werden. Wie in Tabelle 1 gezeigt, kann bei verschiedenen Spindel-Drehzahlbereichen (in U/min bereitgestellt) die Zufuhrgeschwindigkeit - (Teil „A“/Teil „B“) (mm/s) variieren und es können sich verschiedene Zufuhren in einem „Ein“- oder „Aus“-Zustand befinden. Zusätzlich können in anderen Ausführungsformen die bereitgestellten Spindel-Drehzahlbereiche zwischen einem Betriebszustand und einem Nichtbetriebszustand für Komponenten ändern, die UV-Lichter, Laser, Metallzuführungen, Schleifmaschinen oder andere subtraktive Werkzeuge, Luftströme, Fluidströme, Kühl- oder Heizeinheiten usw. umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Die auf der Drehzahl in U/min basierende Steuerungslogik kann Steuerungsarten zur Vorrichtungskalibrierung und unterschiedliche Heiztemperaturbereiche für eine Heizeinheit steuern. Mit Tabelle 1 ist beispielhaft dargestellt, dass eine Vielzahl von Betriebsarten einer Werkstoff-Verarbeitungseinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung durch die Drehzahl der Spindel des CNC-Maschinenwerkzeugs gesteuert werden kann.
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Die Drehzahlbereichslogik kann auch verwendet werden, um einzelne Zufuhren, doppelte Zufuhren oder andere Vielfachzufuhren, Mischungsverhältnisse für doppelte oder andere gemischte Zufuhren, unterschiedliche Zufuhrgeschwindigkeiten für die Extrusion, eine Betriebsart zum Ändern eines Filamentzufuhrrohrs oder -stabes, das Wiederauffüllen der Filamentzufuhrquelle, das Wiederholen eines vorhergehenden Programms, das Ein- oder Ausschalten von Aushärtungslichtern, Heizern, Kühlern, Fluidströmen, Lasern (oder anderen Ätz- oder Schneidwerkzeugen) zu steuern. Alle diese Merkmale können ausschließlich in Abhängigkeit von der Drehzahl in U/min oder dem Drehzahlbereich der Spindel und wahlweise basierend auf der Richtung der Drehung der Spindel in Bezug zum Arbeitsbereich 108 gesteuert werden. In anderen Ausführungsformen können solche Funktionen basierend auf der Anordnung von einer oder mehreren Spindeln innerhalb eines dreidimensionalen Arbeitsbereichs der CNC-Maschine gesteuert werden.
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Der Mikrocontroller in einer solchen Werkstoff-Verarbeitungseinheit kann wahlweise mit einer Benutzeroberfläche mit LED-Leuchten und Anzeigen, hörbaren Alarmen und/oder einer E/A-Benutzeroberfläche interagieren. Eine solche Benutzeroberfläche kann dem Steuerpult 102 der CNC-Maschine 100 ähnlich sein oder die Benutzeroberfläche kann sich auf einer Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 befinden. In einigen Ausführungsformen ist der Mikrocontroller 202 programmiert, die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 auszuschalten, wenn Messungen, wie beispielsweise der Temperatur, außerhalb eines angegebenen Bereichs liegen. In anderen Ausführungsformen sind der Mikrocontroller 202 und eine Anzeige programmiert, um einen Benutzer zu warnen, wenn Messungen, wie beispielsweise der Temperatur, außerhalb eines angegebenen Bereichs liegen. Die Spindeldrehzahl in U/min kann durch einen Benutzer auf eine Vielzahl von Arten überwacht werden, beispielsweise durch eine Anzeige auf der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 oder möglicherweise auf bereits bestehenden Benutzer-Steuerelementen einer CNC-Maschine. Die beispielhafte Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188, wahlweise mit einer Anzeige, kann auch einen oder mehrere eingebaute Akkumulatoren aufweisen.
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Immer noch unter Bezugnahme auf 6 ist ein Thermistor 222 oder eine ähnliche Temperaturmessvorrichtung eingerichtet, um die Temperatur des Heizers 204 zu messen. Der Thermistor 222 oder die ähnliche Temperaturmessvorrichtung stellt wahlweise dem Mikrocontroller 202 eine Rückkopplung bereit und der Mikrocontroller 202 steuert wahlweise die Betriebsart des Heizers 204 gemäß der Temperatur; d. h., wenn die Temperatur des Heizers 204 zu hoch ist, kann die Betriebsart sogar dann auf einen Aus-Zustand geschaltet werden, wenn die Drehzahl der Spindel sich auf einer Geschwindigkeit befindet, die dem Mikrocontroller 202 angibt, dass der Betriebszustand des Heizers ein Ein-Zustand sein sollte.
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Unter Bezugnahme auf 7 ist eine Darstellung einer alternativen Anordnung der Komponenten der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 gezeigt. Die Ziffern betreffen die Komponenten, die vorhergehend unter Bezugnahme auf 5 und 6 beschrieben wurden. In der Ausführungsform von 7 sind Tragarme 225, 226 gezeigt, die Komponenten der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188, wie beispielsweise den Mikrocontroller 202, den Schrittmotor 206, den Heizer 204, den Extruder 208 und die Zuführvorrichtung 218, tragen. Der Tragarm 225 ist mit dem Halteelement 210 auf der Drehkopplung 198 gekoppelt. Die gestrichelten Linien stellen elektrische Verbindungen von dem Generator 200 zu anderen Komponenten dar, die Strom erfordern, wie beispielsweise der Mikrocontroller 202.
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Nun wird unter Bezugnahme auf 8 eine Ausführungsform einer im Handel erhältlichen Kombination aus Heizer und Extruder 230 gezeigt. Die Heizer-Extruder-Kombination 230 kann in der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 verwendet werden, die in 5 bis 7 und 10 gezeigt ist. Die Heizer-Extruder-Kombination 230 kann auch einen Schrittmotor oder eine ähnliche Vorrichtung verwenden, um eine Zufuhr von einer Filamentzufuhrquelle bereitzustellen, wie beispielsweise einen Servomotor oder ein Linearstellglied. Die Zufuhrleitungen 232 stellen dem Heizer und Extruder 230 Strom und Filamentzufuhr bereit. Wenn sie sich in einem eingeschalteten Zustand oder einem Betriebszustand befindet, stellt die Heizer-Extruder-Kombination 230 einem Bauteil in einem Raumbereich durch die Zuführvorrichtung 234 ein verformbares und fließfähiges Filament bereit.
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Nun unter Bezugnahme auf 9 ist eine im Handel erhältliche 3D-Drucker-Kopfbaugruppe 240 gezeigt. Die Baugruppe 240 weist einen Heizer 242, einen Schrittmotor 244, einen Extruder 246, eine Zuführvorrichtung 248 und Zufuhrleitungen 250 auf, um dem Heizer 242 und Extruder 246 Strom und Filamentzufuhr bereitzustellen. In einer Ausführungsform kann die Baugruppe 240 in der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 von 5 bis 7 und 10 verwendet werden.
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Nun unter Bezugnahme auf 10 ist eine perspektivische Vorderansicht einer Ausführungsform der in 5 bis 7 beschriebenen selbständigen Werkstoff-Verarbeitungseinheit gezeigt. Die nummerierten Komponenten, die vorhergehend in 5 bis 7 beschrieben wurden, betreffen ähnliche Komponenten, wie beispielsweise den Halter 194, den Drehsicherungsschlüssel 214, die Filamentzufuhrquelle 216, das Halteelement 212, und die Zuführvorrichtung 218.
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Wie vorhergehend beschrieben, kann der Drehsicherungsschlüssel 214 wahlweise einen Stromversorgungsanschluss oder andere Versorgungsleitungen zwischen dem Spindelkopf 190 der CNC-Maschine 100 und dem Halteelement 210 der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 aufnehmen. Auf diese Weise kann die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 durch den Drehsicherungsschlüssel 214 mit Strom oder anderen erforderlichen betriebsfähigen Elementen, wie beispielsweise einem Fluid, zur Verwendung mit der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 versorgt werden. Wenn zum Beispiel die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 in einer Ausführungsform Öl, Wasser, Luft oder ein anderes Fluid in einem Kreislauf, möglicherweise zur Kühlung, erfordern sollte, kann dies über die Kopplung mit dem Drehsicherungsschlüssel 214 bereitgestellt werden. Die Filamentzufuhrquelle 216 ist, wie gezeigt, eine Rolle; es können indes andere Quellen, wie beispielsweise ein Rohr, ein Kasten oder ein Tank, verwendet werden und Filament kann durch das Halteelement 212 zur Zuführvorrichtung 218 fließen.
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Immer noch unter Bezugnahme auf 10 ist eine Platte 262 gezeigt, die eine Leiterplatte oder eine Steuertafel aufnehmen kann. Ein Mikrocontroller, wie beispielsweise der Mikrocontroller 202 in 6, kann in der Platte 262 aufgenommen sein. Die Platte 262 weist wahlweise eine Benutzeroberfläche mit LED-Lichtern und Anzeigen, hörbaren Alarmen und Benutzersteuerelementen auf. Alternativ kann ein/e solche/r Mikroprozessor, Leiterplatte, oder Steuertafel an anderer Stelle auf der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 angeordndet sein. Die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188, wahlweise mit einer Anzeige, weist in einigen Ausführungsformen auch eine oder mehrere eingebaute Akkumulatoren auf. In einer veranschaulichenden Ausführungsform weist die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 auch einen Speicher und drahtgebundene und/oder drahtlose Netzwerkverbindungen für Eingaben und Steuerungen durch den Benutzer auf.
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10 zeigt auch die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 mit einer optionalen Hülle mit Kühlrippen 264, die Komponenten, wie beispielsweise den Generator 200 von 5 bis 7, abdeckt oder unterbringt. Andere Komponenten können auch abgedeckt oder untergebracht werden, wie beispielsweise ein Akkumulator, der mit dem Generator 200 verbunden ist. Eine Wärmesteuerungseinheit 260 ist bereitgestellt und umfasst wahlweise eine/n oder mehrere Lüfter, Kühlrippen, Kühlschleifen und/oder Wärmesenken. Die Wärmesteuereinheit 260 trägt zur Steuerung der Temperatur von Komponenten in der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 bei, wie beispielsweise des Generators 200, Mikrocontrollers 202, Heizers 204, Schrittmotors 206 und Extruders 208 von 5 bis 7.
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Wahlweise kann die Drehzahl der Spindel das Niveau an Kühlung steuern, das durch die Wärmesteuerungseinheit 260 bereitgestellt wird, um bei der Steuerung der Temperatur von Komponenten zu helfen, wie vorhergehend in Tabelle 1 gezeigt. Wenn zum Beispiel die Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 von Sekundärerhitzung bei 220 °C (Spindeldrehzahl 6000 U/min) auf Primärerhitzung bei 115 °C (Spindeldrehzahl 4175 U/min) geschaltet wird, kann der Mikrocontroller 202 der Wärmesteuerungseinheit 260 signalisieren, zur Kühlung des Heizers 204 beizutragen und gleichzeitig den Strom zu verringern, der dem Heizer 204 bereitgestellt wird. Die Wärmesteuerungseinheit 260 kann eine Kombination von Lüftern, Senken, Kühlrippen, Kühlschleifen oder anderen Kühlungs- oder Wärmesteuerungsmitteln aufnehmen, die im Fach bekannt sind.
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Nun unter Bezugnahme auf 11 und 12 sind aufgeschnittene Vorderansichten einer beispielhaften Zuführvorrichtung gezeigt. Die Zuführvorrichtung 218 umfasst den äußeren Träger 266 und die innere Düse 268. In der gezeigten Ausführungsform weist der äußere Träger 266 einen oberen Abschnitt 270 mit Kühlrippen und einen im Wesentlichen zylindrischen unteren Abschnitt 272 auf. Der äußere Träger 266 bringt die Düse 268 unter oder umschließt sie. In anderen Ausführungsformen sind für den äußeren Träger 266 basierend auf dem Querschnitt der Düse, der für einen bestimmten Typ von Filamentzuführung erforderlich ist, unterschiedliche Formen möglich. Der äußere Träger 266 ist auch mit einem oberen Gewindeabschnitt 274 gezeigt, der in der gezeigten Ausführungsform eine Kopplung mit der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 ermöglicht. Andere Kopplungsmittel, wie beispielsweise Magnete oder Elektromagnete, sind möglich. Die Kopplungsmittel können eine schnelle und einfache Austauschbarkeit der Zuführvorrichtung 218 während eines kontinuierlichen CNC-Bearbeitungsverfahrens ermöglichen. Die Zuführvorrichtung 218 kann basierend auf dem Zuführungstyp und dem gewünschten Querschnitt der Düse 268 geändert werden; die Düse 268 kann gewechselt werden, ohne den äußeren Träger 266 (der in der Folge weiter beschrieben wird) zu entfernen.
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Der obere Abschnitt mit Kühlrippen 270 umfasst einzelne Kühlrippen 271, die eine Abführung von Wärme an dem oberen Abschnitt 270 ermöglichen, derart, dass das Filament nicht schmelzen würde, bevor es in die Düse 268 eindringt, in der es erhitzt werden kann. Solche Kühlrippen sind optional; in einer Ausführungsform verringern einzelne Kühlrippen 271 die Notwendigkeit eines Gebläses oder einer Wärmesenke, wie beispielsweise der Wärmesteuerungseinheit 260, die in 10 gezeigt ist, in hohem Maße.
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Die Düse 268 weist einen oberen Abschnitt 276, einen unteren Gewindeabschnitt 278, einen zentralen Zufuhrkanal 280 und einen Werkstoffauslass 282 auf. Der zentrale Zufuhrkanal 280 ermöglicht die Zufuhr eines fließfähigen verformbaren Werkstoffs durch den zentralen Zufuhrkanal 280 und aus dem Auslass 282 in einen Arbeitsbereich einer CNC-Maschine. Die Düse 268 ist innerhalb des äußeren Trägers 266 austauschbar, da der untere Gewindeabschnitt 278 das Einsetzen und Entfernen der Düse 268 innerhalb des äußeren Trägers 266 ermöglicht. So kann während eines kontinuierlichen, automatisierten Herstellungsverfahrens, wenn unterschiedliche Zuführungstypen (wie beispielsweise Gummi gegenüber Kunststoff) verschiedene Querschnitte eines zentralen Zufuhrkanals 280 und/oder Auslasses 282 erfordern, die gesamte Zuführvorrichtung 218 ausgetauscht werden oder es kann lediglich die Düse 268 ausgetauscht werden, während der äußere Träger 266 mit der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 gekoppelt bleibt. Unterschiedliche zentrale Zufuhrkanäle und/oder unterschiedliche Auslassgrößen umfassen etwa 1,75 mm, etwa 3,0 mm und etwa 5,0 mm, sind aber nicht darauf beschränkt. Auch hier sind weitere Kopplungsmittel, die sich von Gewinden unterscheiden, oder zusätzlich hierzu möglich, wie beispielsweise Magnete oder Elektromagnete.
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In einigen Ausführungsformen ist der zentrale Zufuhrkanal 280 der Düse 268 in zwei oder mehr Zufuhrkanäle unterteilt, um mehrere Filamenttypen dem Auslass 282 zuzuführen, wobei die mehreren Filamenttypen vor dem Einbringen in den Arbeitsbereich 108 der CNC-Maschine 100 gemischt werden. In anderen Ausführungsformen können mehrere Zufuhrkanäle zu mehreren einzelnen Auslassen zuführen und die Filamentzufuhren werden nicht vor dem Einbringen in den Arbeitsbereich 108 der CNC-Maschine 100 gemischt.
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Nun unter Bezugnahme auf 12 umfasst ein äußerer Träger 266 einen Thermistor 284, der innerhalb des unteren Abschnitts 272 angeordnet ist. In anderen Ausführungsformen kann der Thermistor 284 eine Vorrichtung sein, die verwendet wird, um die Temperatur der Düse 268 und/oder des äußeren Trägers 266 zu messen, wie beispielsweise ein Thermoelement. Die Verbindung 286 verbindet den Thermistor 284 mit dem Mikrocontroller 202 der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 von 5 bis 7 und 10. Die Verbindung 286 umfasst auch Drähte oder ähnliche Mittel, um den Thermistor 284 mit Strom zu versorgen. Der Thermistor 284 misst die Temperatur der Zuführvorrichtung 218 in der Nähe des unteren Gewindeabschnitts 278 der Düse 268 und diese ist im Wesentlichen ähnlich wie die Temperatur der Zufuhr, die durch den zentralen Zufuhrkanal 280 dem Auslass 282 bereitgestellt wird.
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Die durch den Thermistor 284 gemessene Temperatur wird in den Mikrocontroller 202 durch die Verbindung 286 eingespeist und in einer Ausführungsform kann der Mikrocontroller 202 die Temperatur der Zufuhr korrigieren. Wenn zum Beispiel der Mikrocontroller 202 der Werkstoff-Verarbeitungseinheit 188 die Spindeldrehzahl bei 4,125 U/min basierend auf der Logik interpretieren würde, die in der obigen Tabelle 1 dargestellt ist, sollte der Heizer in der Primärerhitzung die Zufuhr auf 105 °C erhitzen. Wenn der Thermistor 284 die Temperatur in der Nähe des unteren Gewindeabschnitts 278 als 145 °C misst, kann der Mikrocontroller 202 den Strom verringern, der dem Heizer 204 bereitgestellt wird, oder wahlweise die Kühlung erhöhen, die durch die Wärmesteuerungseinheit 260 bereitgestellt wird.
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Der untere Abschnitt 272 umfasst auch ein kassettenartiges Heizelement 288, das durch die Verbindung 290 mit Strom versorgt wird, um die Zufuhrvorrichtung 218 auf die gewünschte Betriebstemperatur zu erhitzen. Die Verbindungen 286, 290 mit dem Thermistor 284 beziehungsweise dem Heizelement 288 sind wahlweise mit einer Elektroniksteuertafel verbunden, die in Bezug zu der Platte 262 in 10 beschrieben ist. Die Elekroniksteuertafel kann das Heizelement 288 mit Strom versorgen, um die Zufuhrvorrichtung 218 auf die gewünschte Temperatur zu erhitzen. Die Steuertafel mit dem Mikrocontroller 202 kann das Signal vom Thermistor 284 verwenden, um die Temperatur der Zuführvorrichtung 218 zu überwachen und wiederum den Strom an das Heizelement 288 ein- und auszuschalten (oder die Temperatur zu variieren), um die richtige Betriebstemperatur aufrecht zu erhalten. Auch hier wird in einigen Ausführungsformen der erforderliche Strom durch einen Generator innerhalb der Werkstoff-Verarbeitungseinheit durch die Drehung durch eine Spindel bereitgestellt.
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In einigen Ausführungsformen können der Thermistor 284 und das Heizelement 288 am äußeren Träger 266 unter Verwendung eines Haftmittels, Bindemittels, Zements oder eines ähnlichen Haftmittels, das wärmeleitfähig ist, zum Haften gebracht. Eine wärmeleitfähige Verbindung kann eine gute Wärmeübertragung zwischen den Komponenten der Zuführvorrichtung 218 ermöglichen und eine permanente Bindung zwischen der Düse 268 und dem äußeren Träger 266 ermöglichen, falls erforderlich. Wie vorhergehend beschrieben, kann die Düse 268 mit dem äußeren Träger 266 austauschbar sein und an einer Grenzfläche 292 zwischen der Düse 268 und dem äußeren Träger 266 ist wahlweise eine wärmeleitfähige Verbindung aufgebracht, um eine gute Wärmeübertragung zwischen der Düse 268 und dem äußeren Träger 266 zu ermöglichen. Eine solche Verbindung kann eine Paste oder ein Fett umfassen, die/das während des Austauschs oder dem Wechsel auf die Düse 268 aufgetragen wird, ist aber nicht darauf beschränkt, und ein solcher Werkstoff kann die Düse 268 nicht permanent an den äußeren Träger 266 binden.
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Nun unter Bezugnahme auf 13 ist eine dreidimensionale perspektivische Ansicht einer beispielhaften Zuführvorrichtung 218 bereitgestellt. Der gezeigte Thermistor 284 ist innerhalb einer Hülle 294 in der Nähe des unteren Gewindeabschnitts 278 angeordnet. Während in der gezeigten Ausführungsform die Düse 268 und der äußere Träger 266 im Wesentlichen zylindrisch sind und im Wesentlichen kreisförmige Querschnitte aufweisen, kann der Auslass 282 einen Querschnitt von einer gewünschten Größe und Form aufweisen und kann einstellbar sein. Zusätzlich können die Düse 268 und der äußere Träger 266 einen gewünschten Querschnitt aufweisen, der erforderlich ist, um Komponenten, wie beispielsweise den Thermistor 284 und das Heizelement 288, bequem unterzubringen.
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Obgleich diese Erfindung mit einer beispielhaften Gestaltung beschrieben wurde, kann die vorliegende Erfindung innerhalb des Erfindungsgedankens und Schutzbereichs dieser Offenbarung weiter abgewandelt werden. Mit dieser Anmeldung wird daher beabsichtigt, weitere Varianten, Verwendungen oder Anpassungen der Erfindung unter Verwendung ihrer allgemeinen Grundsätze abzudecken. Ferner wird mit dieser Anmeldung beabsichtigt, solche Abweichungen von der vorliegenden Offenbarung im Rahmen der bekannten oder gebräuchlichen Praxis in dem Fach, zu dem diese Erfindung gehört, abzudecken.
