DE202015006748U1

DE202015006748U1 - Antriebseinheit für Druckkopf zum Fördern von Filamentmaterialien oder Granulat, Fluide oder Pasten

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Publication number: DE202015006748U1
Application number: DE202015006748.4U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 2015-09-26
Filing date: 2015-09-26
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2025-09-27

Abstract

Antriebseinheit für Druckkopf zum Fördern von Filament-, Granulat, Fluid- oder Pastenartigen Materialien dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsleistung eines stationären Antriebes auf den Druckkopf schlupffrei übertragen werden kann, um damit eine präzise Förderleistung zu realisieren.

Description

Die Maschinenklasse der 3D Drucker arbeiten häufig nach dem FLM (Fused Lager Modelling), FDM (Fused Deposition Modelling) bzw. FFF (Fused Filament Fabrication) oder anderen gleichwertigen Verfahren. Bei diesen Verfahren liegt das Ausgangsmaterial in Form eines Drahtmaterials mit idealerweise immer gleichem Querschnitt vor (Filament). Ein gleichbleibender Querschnitt ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Das Filament kann auf einer Spule aufgewickelt oder bei starren Materialien auch stangenförmig vorliegen. Anstelle von Filamentmaterialien können auch Granulate, Fluide oder Pasten verwendet werden. Das Material wird bei oben genannten Verfahren durch eine temperierte Kammer gefördert und dort aufgeschmolzen. Das schmelzflüssige Material wird durch eine Düse mit definiertem Querschnitt gedrückt. Die hierfür verwendete Vorrichtung wird umgangssprachlich meist Druckkopf oder Hot End genannt. Gleichzeitig erfolgt eine Bewegung in x- und y-Richtung. Während dieser Bewegung wird gleichzeitig das Material auf eine Plattform definiert abgelegt. Eine Verfahrbewegung in z-Richtung ermöglicht das Erzeugen weiterer Schichten auf dem bereits abgelegten Material. Der schichtweise Aufbau ist nicht zwingend erforderlich. Bei modernen Maschinen kann der Aufbau mittels beliebig vielen Bewegungsachsen auch kontinuierlich und dreidimensional erfolgen. Ein Beispiel hierfür wäre ein robotergeführter Druckkopf. Diese Art von Aufbau kennzeichnet die oben genannten Verfahren und ermöglicht die Generierung von dreidimensionalen Objekten bzw. von Volumenkörpern aus unterschiedlichsten Materialien.
Bisherige Heizblöcke mit Düse (Hot End) benötigen im Inneren sehr exakte Temperaturverhältnisse. So muss am Düsenende der Kammer die Temperatur hoch genug sein, um das Druckmaterial in den schmelzflüssigen Zustand zu überführen. Über die Düse, die mit der Kammer fest verbunden bzw. verschraubt oder geklemmt ist, gelangt die Schmelze ins Freie und wird auf der Plattform abgelegt. An der Eintrittsseite der Kammer dürfen die Temperaturen nicht zu hoch sein, da hier das noch feste Druckmaterial nachgefördert wird. Erst das Nachfördern von Druckmaterial am Kammereingang führt zum Herausdrücken von aufgeschmolzenem Material an der Düse. Eine höhere Genauigkeit beim Nachfördern des Materials hat einen wiederholbaren Prozess und somit eine höhere Bauteilgenauigkeit zur Folge. Nicht nur das Nachfördern in den Druckkopf, sondern auch ein leichtes Herausfordern des Materials aus dem Druckkopf ist für bestimmte Funktionen notwendig. Speziell am Ende eines Druckvorganges oder beim Wechsel auf einen anderen Druckbereich gleicher oder unterschiedlicher Höhe verbessert dies oftmals die Qualität.
Für die Funktion des Druckers ist es also notwendig, das Druckmaterial so genau wie möglich in, oder aus dem Druckkopf zu befördern. Derzeitige Systeme erreichen dies durch direkt angetriebene Extruder oder einen sogenannten Bowden-Extruder. Auch Extruder welche mittels biegsamer Welle angetrieben werden sind zwar selten, aber verfügbar.
Direkt angetriebene Systeme haben den Antrieb so weit wie möglich oder direkt am Druckkopf. Dies wird meist durch einen Antriebsmotor erreicht, welcher direkt am Druckkopf befestigt wird und das Druckmaterial in das Hot End befördert. Ist der Antriebsmotor entsprechend dimensioniert, kann auf ein zusätzliches Getriebe verzichtet werden. Muss ein Getriebe verwendet werden sinkt der Gesamtwirkungsgrad durch die Getriebeverluste. Das Umkehrspiel bei Verwendung von nicht spielfreien Getrieben verschlechtert die Genauigkeit beim Nachfördern und Herausziehen des Materials. Einen Nachteil des direkten Anbaus der Komponenten auf dem Druckkopf stellt die erhöhte Massenträgheit dar. Durch das höhere Gewicht eines direkten Antriebes erhöht sich nicht nur die notwendige Antriebsleistung. Auch die Genauigkeit speziell bei höheren Geschwindigkeiten wird negativ beeinflusst. Auf ein entsprechend steifes Grundgestell um Vibrationen zu vermeiden, ist ebenfalls zu achten. Der meist erhöhte Platzbedarf der direkt angebauten Antriebselemente hat einen größeren Abstand der beiden Hot Ends zur Folge und benötigt aufgrund dessen mehr Verfahrbewegung in x und y um den gesamten Druckbereich auszunutzen, was meist das gesamte Gerät größer werden lässt. Einen Vorteil stellt die direkte und ausreichend starke Antriebsleistung dar, welche durch den direkten Anbau die Beförderung des Materials auch in ausreichender Genauigkeit gewährleistet. Flexible, leicht stauchbare oder knickende Materialen sowie Granulate können mit einem direkt angetriebenen System durchaus befördert werden. Auch für Fluide und Pasten werden direkt angetriebene Systeme verwendet.
Eine spezielle und neue Art der Extruder arbeitet anstelle von Filamentmaterialien mit Granulat. Bei einem sogenannten Granulatextruder wird beispielweise Kunststoffgranulat direkt in das Hot End gefördert und verarbeitet. Bei der Verarbeitung von Granulat kann der aufwendige Herstellprozess zum Erstellen von Filamentmaterialien entfallen. Durch die hohe Verfügbarkeit des Materials am Markt ist Granulat deutlich günstiger als das bisher gängige Filamentmaterial. Da bei diesem Prozess alle erdenklichen Granulate, welche beispielweise auch beim Spritzgießen verwendet werden, gemischt oder ungemischt, mit oder ohne Füllstoff, in jeder beliebigen Farbe durch Masterbatch oder eingefärbten Grundwerkstoff, verarbeitet werden können, sind der Materialvielvalt und Flexibilität keine Grenzen gesetzt. Beim Granulatextruder ist meist ein direkter Antrieb am Extruder vorzufinden. Durch die deutlich aufwendigere Mechanik und direktem Antrieb steigt die Massenträgheit noch höher an wie bei direkt angetriebenen Filamentextrudern.
Bowden-Extruder haben den Antrieb meist fest am Rahmen montiert. Das Filament wird geführt durch einen Schlauch in das Hot End befördert. Ist der Antriebsmotor entsprechend dimensioniert, kann auf ein zusätzliches Getriebe verzichtet werden. Muss ein Getriebe verwendet werden sinkt der Gesamtwirkungsgrad durch die Getriebeverluste. Das Umkehrspiel bei Verwendung von nicht spielfreien Getrieben verschlechtert die Genauigkeit beim Nachschieben und Herausziehen des Materials. Ein Vorteil des Bowden-Extruders besteht darin, dass der Druckkopf deutlich leichter ausgeführt werden kann, da dieser nicht durch direkt angebaute Antriebselemente gespeist wird. Dadurch kann mit minimierter Trägheit verfahren werden. Dies erhöht die Dynamik bei gleichbleibender Genauigkeit, ohne dabei erhöhte Vibrationen in die Konstruktion abzuleiten. Ein Nachteil des Bowden-Extruders ist die maximale erreichbare Entfernung zum Druckkopf. Wird die Entfernung zu groß, steigt die Reibung im Schlauch an und eine Beförderung des Materials ist nicht mehr gleichmäßig möglich. Einen weiteren Nachteil stellt die unzureichende Genauigkeit dar. Je nachdem wie sich das Material in der Führung abstützt, hat dies eine Abweichung der beförderten Länge zur Folge. Ein großes Problem stellen flexible, leicht stauchbare oder knickende Materialen oder Materialien mit hohem Reibwert dar. Ein zuverlässiges befördern der Materialien ist mit einem Bowden-Extruder nicht, oder nur eingeschränkt möglich.
Gerade bei sich ändernden Anforderungen wie z. B. unterschiedliches Material oder auch Änderungen der Druckgeschwindigkeit ist es wichtig, die Genauigkeit der Materialbeförderung zu verbessern sowie die Trägheit der bewegten Teile so gering wie möglich zu halten um dynamische Bewegungen auszuführen, ohne dabei Vibrationen ins Gestell abzuleiten. Bei Verwendung mehrerer Extruder auf einem Druckkopf ist es umso wichtiger die Masse und den Bauraum jedes einzelnen Extruders so gering wie möglich zu halten.
Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde einen Druckkopf zu schaffen, welcher die Vorteile eines direkt angetriebenen Druckkopfes und eines Bowden-Extruders kombiniert. Gleichzeitig sind die Nachteile der einzelnen Systeme zu vermeiden.
Das Problem wird mit den im Schutzanspruch (1) aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Lösung besteht darin, einen formschlüssigen Antrieb so weit wie möglich an die Schmelzkammer zu bringen. Der formschlüssige Antrieb ist dabei so flexibel ausgeführt, dass dieser die Bewegungen des Druckkopfes nicht einschränkt und trotzdem eine genaue Beförderung des Materials garantiert. Es wird also das Drehmoment eines stationären Antriebes auf die Antriebswelle des Druckkopfes übertragen. Dabei entstehen aufgrund des Formschlusses zwischen stationären Antrieb und der Antriebswelle des Druckkopfes keine unterschiedlichen Bedingungen beim Transport des Materials. Ist der Antrieb so weit wie möglich an der Schmelzkammer, können auch sehr flexible und somit stauchbare Materialien zuverlässig in die Kammer befördert werden, ohne dabei zu knicken.
Über den stationären Antrieb wird das formschlüssige Antriebselement am Druckkopf angetrieben. Beim formschlüssigen Antriebselement handelt es sich um eine Kugelkette mit fester Teilung. Durch ein flexibles Rohr wird die Kugelkette geführt und mit der Antriebswelle des Druckkopfes verbunden. Durch diese Maßnahme wird das Druckmaterial unweit vor der Schmelzkammer in den Druckkopf befördert. Durch die konstante Teilung kann eine präzise Beförderung des Materials garantiert werden. Jede Umdrehung am Antriebsrad des stationären Antriebes hat eine bestimmte Umdrehung am Antriebsrad des Druckkopfes zur Folge. Durch den Formschluss der Kugelkette entsteht dabei kein Schlupf und das Material wird zuverlässig in die Schmelzkammer befördert. Je nach Wirkdurchmesser der beiden Antriebsräder kann die Leistung des Druckkopfes den erforderlichen Anforderungen angepasst werden. Idealerweise kann dabei auf ein zusätzliches Getriebe verzichtet werden.

Claims

Antriebseinheit für Druckkopf zum Fördern von Filament-, Granulat, Fluid- oder Pastenartigen Materialien dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsleistung eines stationären Antriebes auf den Druckkopf schlupffrei übertragen werden kann, um damit eine präzise Förderleistung zu realisieren.
Antriebseinheit für Druckkopf zum Fördern von Filament-, Granulat, Fluid- oder Pastenartige Materialien nach Anspruch (1) dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem stationären Antriebsrad und beim Antriebsrad am Druckkopf um ein Übertragungselement mit fester Teilung handelt.
Übertragungselement zwischen den Antriebsrädern mit fester Teilung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Übertragungselement (Kugelkette) in einem verhältnismäßig starren Schlauch mit möglichst geringem Spiel und geringer Reibung geführt wird, um ein eventuell notwendiges Nachspannen des flexiblen Übertragungselementes (Kugelkette) beim dynamischen Positionswechsel des Druckkopfes im Betrieb zu vermeiden.
Übertragungselement zwischen den Antriebsrädern mit fester Teilung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass sowohl metallische als auch nicht metallische Materialien sowie auch deren Kombination verwendet werden können um die notwendige Flexibilität des Übertragungselementes in jede Richtung zu erhalten.
Übertragungselement zwischen den Antriebsrädern mit fester Teilung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass hitzebeständige und/oder reibungsoptimierte Materialien oder Materialpaarungen verwendet werden können.
Übertragungselement zwischen den Antriebsrädern mit fester Teilung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die feste Teilung der Kette durch eine kugelähnliche oder andere beliebige Geometrie realisiert werden kann.
Übertragungselement zwischen den Antriebsrädern mit fester Teilung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien oder Materialpaarung der verwendeten Materialien den Anforderung an hohen Umgebungs- oder Bauraumtemperaturen entsprechend angepasst werden kann.
Antriebsrad am Druckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung des Antriebsrades aufgrund des kompakten Bauraumes am Druckkopf beliebig aber idealerweise so nah wie möglich an der Schmelzkammer erfolgen kann um eine möglichst geringe Knickung des Materials hervorzurufen und eine hohe Präzision der Förderleistung auch bei flexibleren Materialien zu erreichen.
Druckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der notwendige Bauraum für den Druckkopf minimiert werden kann und somit kein zusätzlicher Platzbedarf beim Verfahren des Druckkopfes entsteht.
Druckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass durch das Entfallen des direkten Antriebes bei Verwendung eines Dual- oder Mehrfachextruders die beiden oder mehreren Hot Ends platzsparender angeordnet werden können und somit die Druckfläche besser ausgenutzt wird.
Druckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der notwendige Bauraum für den Druckkopf verhältnismäßig klein gehalten werden kann und somit keine hohen Massenträgheiten dynamisch verfahren werden müssen.
Druckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass durch die feste Teilung und somit schlupffreier Übertragung der Antriebsleistung das Filament-, Granulat, Fluid- oder Pastenartige Material in beide Richtungen präzise befördert werden kann.
Druckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass das Filament-, Granulat, Fluid- oder Pastenartige Material kontrolliert aus dem Hot End gefördert werden kann um beim Beenden der Spur überflüssiges Material im Austrittsbereich der Düse zu vermeiden.
Druckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass hohe Umgebungs- oder Bauraumtemperaturen durch die Möglichkeit des örtlich getrennten Antriebsmotors, keinen Einfluss auf den Antriebsmotor ausüben und diesen schädigen oder thermisch erwärmen.
Druckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass Filament-, Granulat, Fluid- oder Pastenartige Material sowie deren Mischung mit und untereinander verarbeitet werden können.