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Beantragt wird der Gebrauchsmusterschutz auf einen Apparat zur Herstellung von Kunststoff- o. a. Filament Drähten wie sie z. B. in 3D Druckern nach den FDM-(Fused Deposition Molding)Prinzip verwendet werden.
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Stand der Technik:
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Für die Herstellung von Filament Drähten für den 3D Druck nach den FDM Verfahren werden z. T. kleine einfach aufgebaute Einschneckenextruder verwendet. Diese ermöglichen die Herstellung von Filament Drähten für 3D Druck im allgemeinen z. B. aus ABS, PLA oder PVA und anderen Kunststoffgranulaten und im Besonderen die Herstellung verhältnismäßig kleiner Mengen spezieller Mischungen von Kunststoffgranulaten, für die aufgrund der geringen Nachfrage keine Herstellung im industriellen Maßstab lohnenswert ist. Die Produktivität solcher Extruder bewegt sich in einer Größenordnung von 0,2–2 kg/h. (Stand 2016). Eines der wichtigsten Ziele bei der Herstellung von Filament Drähten ist die möglichst genaue Einhaltung des Drahtdurchmessers und der runden Form. Gängig sind Drahtdurchmesser von 3,0 und 1,75 mm. Im Unterschied zu großen Industrie-Extrudern, bei denen der, durch eine Düse austretende Kunststoff schon beim Austritt durch einen formgebenden Kanal abgekühlt und auf den erwünschten Durchmesser unterhalb der Glasübergangstemperatur gebracht wird, tritt bei den erwähnten kleinen Extrudern der Kunststoff mit Temperaturen oberhalb der Erweichungstemperatur aus der Extruderdüse aus und kühlt erst einige Zeit nach dem Austritt soweit ab, dass ein Aufwickeln auf Vorratsrollen oder das Führen über Umlenkrollen möglich wird. Beispiele für Geräte nach diesem Verfahren sind z. B. der Filastruder http://www.filastruder.com/products/filawinder oder der Filafab http://d3dinnovations.com/filafab/. Durch diese Ausführung der Extruder wird der Aufwand für die Herstellung formgebender gekühlter Strangpressformen vermieden. Die Drahtstärke wird einfach durch die Temperatur und den Druck des Kunststoffes vor dem Austritt aus der Düse kontrolliert.
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Nachteile der Stands der Technik
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Durch den Austritt des Drahtes im weichen Zustand wird bei Verfahren nach dem beschrieben Stand der Technik die Produktivität dadurch begrenzt, dass die Austrittsdüse eine kleinere bis maximal dem Drahtdurchmesser entsprechende Öffnungsweite haben darf. Ist dies nicht der Fall, überschreitet der Drahtdurchmesser die gewünschte Sollstärke durch die Abnahme des Umgebungs-Drucks auf den Kunststoff nach dem Austritt aus der Düse. Da zur Steigerung der Produktivität bei gegebenem Düsendurchmesser eine Erhöhung des Drucks im Extruder (z. B. durch die Erhöhung der Drehzahl der Extruderschnecke), vor der Düse nötig ist, würde sich der komprimierte Kunststoff nach dem Austritt aus der Düse stärker ausdehnen als bei niedrigen Druck und somit den gewünschten Solldurchmesser überschreiten. Würde der Düsendurchmesser entsprechend verringert werden, um die druckbedingte stärkere Ausdehnung des Drahtes zu korrigieren wäre gleichzeitig ein höherer Druck vor der Düse erforderlich, um die gleiche Menge an Material durch die Düse zu pressen. Dieser ließe sich nur durch aufwendigere Mehrzonen-Extruderschnecken mit sich ändernder Steigung oder abnehmender Gangtiefe oder die Verwendung eines Nutbuchsen – anstelle eines Glattrohrextruders erzielen, was den Fertigungsaufwand und die Kosten für derartige Geräte erhöht. Eine Erhöhung der Temperatur um bei gleicher Düsengröße, aufgrund der niedrigeren Viskosität des Kunststoffs mehr Material durch die Düsenöffnung zu pressen, führt zu einer Verschlechterung der Materialeigenschaften des extrudierten Kunststoffes. Darüber hinaus kommt sie aufgrund der Tatsache, dass die Schwerkraft den nun über eine längere Zeit oberhalb der Glaserweichungstemperatur befindlichen Draht dehnen und so dessen Durchmesser verändern würde, nicht in Betracht.
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Beschreibung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Apparat wird die Produktivität bei kleinen Extrudern zur Herstellung von Filament Drähten dadurch gesteigert, dass der extrudierte Draht noch im weichen Zustand zusätzlich aus der Düse gezogen wird. Durch die Zugkraft wird der weiche Kunststoff gestreckt, was zu einer Verringerung des Drahtdurchmessers führt. Die Zugkraft bzw. die Geschwindigkeit mit der der Draht aus der Düse gezogen wird, ist so eingestellt, dass der Draht zum Zeitpunkt des Erstarrens den gewünschten Durchmesser erreicht hat. Das Ziehen erfolgt durch eine Fördervorrichtung, wie in gezeigt, bestehend aus einer angetriebenen Förderrolle [31] und einer gegenüberliegenden Andruckrolle [32] zwischen denen der erkaltete Filament-Draht [43] eingeklemmt und durch die Drehung der Förderrollen [31. 32] von der Extruderdüse [11] weggezogen wird. Die Förderrollen [31, 32] werden z. B. durch die Kraft einer Feder gegeneinander gepresst. In einer alternativen Anordnung kann der Druck der Rollen gegeneinander auch unter Ausnutzung der Schwerkraft erfolgen. Die Förderrollen sind vorzugsweise aus einem mittelharten Gummimaterial von z. B. 60 Shore geschaffen, oder mit einer Gummischicht überzogen, zum einen um eine gute schlupffreie Förderung des Kunststoffdrahtes sicher zu stellen, zum anderen um den runden Querschnitt des Drahtes nicht durch übermäßigen punktuellen Druck zu verformen. Förderrolle [31] und Andruckrolle [32] sind z. B. 0,5–1,0 Meter von der Extruderdüse [11] entfernt. Die Förderrolle [31] kann durch beliebige Bauarten von Motoren wie z. B. Schrittmotore, Gleichstrommotore oder Wechselspannungsmotore angetrieben werden.
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Von der Extruderdüse [11] bis zu den Förderrollen [31, 32] wird der Draht über eine Lüftkühlung [20] hinweggezogen. Die Luftkühlung [20] besteht aus einem Lüfter [21] und einem Luftführungsgehäuse [22] in oder an dessen Lufteinlass der Lüfter befestigt ist. Der Auslass des Luftführungsgehäuses [22] mündet in eine langgezogene Luftaustrittsdüse [23], über die der extrudierte Draht [40] hinweggezogen wird. Durch den so erzeugten Kühlluftstrom [24] wird der Draht [40] abgekühlt, so dass er beim Erreichen der Förderrolle nicht mehr durch die Kraft zwischen Andruckrolle und Förderrolle deformiert wird. Alternativ zur Luftkühlung kann eine Abkühlung des Drahtes auch durch Kühlwasser erfolgen.
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Mit der Drehgeschwindigkeit der Förderrolle [31] wird die Fördergeschwindigkeit und damit die Drahtstärke bestimmt. Unmittelbar nach dem Austritt aus der Extruderdüse ist der Draht noch welch und plastisch verformbar. Er kann somit durch eine Zugkraft in die Länge gezogen werden. Wie in dargestellt, nimmt der Durchmesser des, aus der Extruderdüse austretenden verformbaren Drahtes [41] durch die Zugkraft der Förderrolle [31] solange weiter ab bis durch den Kühlluftstrom [24] die äußeren Bereiche des Drahtes die Glasübergangstemperatur unterschreiten und der Draht durch die Zugkraft nicht weiter verformt wird. Dieser Punkt ist in und durch die gestrichelte Linie [42] gekennzeichnet. Das Unterschreiten der Glasübergangstemperatur tritt nicht schlagartig und vollständig, sondern graduell ein. Die Linie [42] markiert daher nur den Punkt ab dem die äußeren Bereiche des Drahtes verfestigt sind und sich der Drahtdurchmesser nicht mehr ändert. Der in und auf der rechten Seite der Linie [42] befindliche Draht [43] ist soweit erstarrt, dass er durch die Zugkräfte der Förderrollen [31, 32] nicht mehr verformt wird. Je höher die Fördergeschwindigkeit bei konstanten Extruder-Betriebsparametern ist, desto dünner ist der so erzeugte Draht. Wird die Fördergeschwindigkeit reduziert nimmt die resultierende Drahtstärke zu.
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Wahlweise kann die Antriebsrolle mit konstanter Drehzahl betrieben werden, oder in der Drehzahl entsprechend der Drahtstärke nachgeregelt werden, um so Schwankungen anderer Parameter, die Einfluss auf die Drahtstärke nehmen wie z. B. Temperatur des Extruders, Druck vor der Extruderdüse [11], Temperatur der Kühlluft, Korngröße des Granulats usw. zu kompensieren. Eine Regelung der Drahtstärke über die Drehzahl der Förderrolle [31] bietet Vorteile gegenüber Regelungen, die z. B. über die Extrudertemperatur oder die Drehzahl der Extruderschnecke wirken, da Letztere nur sehr träge reagieren, wogegen die beschriebene Regelung über die Drehzahl der Förderrolle [31] sehr kurze Reaktionszeiten auf Abweichungen von der Sollstärke des Drahtes ermöglicht.
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Das Signal zur Korrektur der Drahtstärke kann z. B. mit einem Wegstreckenmessgerät gewonnen werden, welches mit einem Taster die Drahtstärke abtastet, oder wie in dargestellt, mithilfe einer CCD-Kamera [61] oder CCD-Zeile welche die Drahtstärke optisch erfasst.
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Die Erzeugung des Korrektursignals [66] mittels CCD Kamera oder anderer optischer Sensoren bietet Vorteile gegenüber der mechanischen Abtastung, da die Messung berührungslos erfolgt und dadurch auf der Strecke zwischen Extruderdüse [11] und Antriebsvorrichtung [31, 32] näher bei der Extruderdüse angeordnet werden kann. Der erstarrte Draht [43] ändert sich zwar nicht mehr durch die Zugkraft der Förderrollen im Durchmesser, kann aber durch die quer zur Zugrichtung wirkenden Kräfte eines mechanischen Tasters deformiert werden, was nicht nur das Messergebnis verfälscht, sondern auch den Draht für den 3D-Druck unbrauchbar macht. Deshalb kann ein mechanischer Taster erst unmittelbar vor oder hinter den Förderrollen positioniert werden. Eine berührungslose Messung kann dagegen schon, kurz nach dem Erhärten der äußeren Drahtschichten hinter der Linie [42] angeordnet werden, was wiederum die Totzeit der Regelstrecke verringert und so eine stabilere, schnellere Ausregelung von Störungen ermöglicht.
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Eine Messvorrichtung mittels CCD Kamera kann z. B. dadurch realisiert werden, dass der Draht [40] vor einer gleichmäßig ausgeleuchteten Fläche längsbewegt wird und mit der Kamera von der gegenüberliegenden Seite der Schattenwurf des Drahtes vermessen wird. Der Draht liegt hierbei in der Gegenstandsebene der Abbildung durch die Kameralinse und wird in der Bildebene als dunkle Zone auf dem CCD Chip abgebildet. Für die Drahtstärken-Bestimmung wird die Anzahl der nicht beleuchteten Pixel der Kamerazeilen ermittelt, wobei die Kamerazeilen hierfür senkrecht zur Drahtbewegungsrichtung angeordnet sind. Die Anzahl der nicht beleuchteten Pixel wird mit einen entsprechenden Faktor multipliziert, so dass sich der Wert der Drahtstärke z. B. in Millimetern ergibt. Dieser wird mit dem Sollwert [64] der Drahtstärke z. B. in Millimetern verglichen, aus der Abweichung wird ein entsprechendes Korrektursignal für die Drehzahl der Antriebsrolle erzeugt. In ist der Prinzipielle Aufbau für eine Nachregelung der Drahtstärke gezeigt. Der Istwert [63] der Drahtstärkenmessung wird mit dem Sollwert [64] der Drahtstärke verglichen und in einem Regler [65] wird aus der Differenz beider Signale eine Korrektursignal [66] erzeugt, das dem Motor [33] der Förderrolle [31] bzw. dessen Motortreiber zugeführt wird.
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An der Position, an der der Draht auch bei höchster Geschwindigkeit keine Durchmesseränderung mehr erfährt, wird die Drahtstärkenmessung mit der CCD Kamera angeordnet, so dass die gemessene Drahtstärke unabhängig von der Drahtgeschwindigkeit konstant bleibt. Wichtig bei der Anordnung ist demzufolge, dass der Kühlluftstrom [24] auch schon vor der Position der Kamera auf den Draht trifft und diesen von außen beginnend unter die Glasübergangstemperatur abkühlt.
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Der beschriebene Apparat erlaubt den Einsatz von Düsen, die größer sind als der Drahtdurchmesser, was wiederum bei gleicher Temperatur des Extrudats eine Erhöhung der durch die Düse gepressten Kunststoffmenge ermöglicht. Die erforderliche Länge des Kühlkanals ist abhängig von der Menge des extrudierten Kunststoffes pro Zeiteinheit. Bei höheren Fördermengen ist die Strecke, die der Draht bis zum vollständigen Abkühlen unterhalb der Glasübergangstemperatur zurücklegen muss, größer als bei niedrigeren Fördermengen. Bei handelsüblichen Kunststoffsorten wie z. B. ABS PA 747 von Chi Mei ist eine Strecke von 0,5 m Ausreichend für eine Fördermenge von etwa 1 kg/h bei 3 mm Drahtstärke. Ist die Strecke nicht lang genug, bzw. die Fördermenge zu groß wird der Draht zwischen den Förderrollen deformiert.
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Neben der verbesserten Produktivität bietet der beschriebene Apparat den Vorteil, dass die Drahtstärke im Unterschied zu den als Stand der Technik beschriebenen Apparaten ohne eine Änderung des Durchmessers der Düse [11], nur durch Erhöhen der Fördergeschwindigkeit kontinuierlich verkleinert werden kann. Dadurch ist es besonders einfach den geforderten Solldurchmesser des Drahtes nur über die Fördergeschwindigkeit einzustellen.
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Idealerweise ist bei dem beschrieben Apparat nach den Förderrollen [31, 32] eine große Vorratsrolle [34] angeordnet, auf die der extrudierte Kunststoffdraht aufgewickelt wird. Damit die Vorratsrolle keine zusätzliche Zugkraft auf den Draht entwickelt, sollte sie gegenüber ihrem Antrieb einen Schlupf aufweisen, so dass die Kraft für den Zug des Drahtes immer von den Antriebrollen [31, 32] bestimmt wird und deren Zugkraft nicht durch die Drehung der Vorratsrolle beeinflusst werden kann. Von der Vorratsrolle kann der Kunststoffdraht auf kleinere Rollen für die weitere Benutzung in den 3D Druckern umgespult werden. Das Wickelvolumen der Vorratsrolle ist hierbei ausreichend für mehre kg extrudierten Kunststoffs. In ist die Anordnung der Vorratsrolle [34] und der Förderrolle [31] sowie die dazugehörigen Antriebsmotoren [33, 35] dargestellt. Um den produzierten Draht gleichmäßig auf der Vorratsrolle zu verteilen kann z. B. eine Linearführung bestehend aus einem Linearführungsmotor [71] einer Linearführungsspindel [72] und einem Linearführungs-Wagen [73] verwendet werden. Der Draht wird durch einen Spalt im Linearführungswagen an der Wickelfläche des Vorratszylinders entlanggeführt, so dass sich die Wicklungen in geschlossenen Lagen übereinander legen und das Wickelvolumen der Vorratsrolle optimal genutzt wird. Die gleiche Führungsvorrichtung kann auch für das Umspulen auf kleinere Rollen für die weitere Benutzung in den 3D Druckern genutzt werden.
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Für das Umspulen des Drahtes von der Vorratsrolle [34] auf die Drucker Rollen [37] kann vorzugsweise der selbe Motor [35] wie für den Antrieb der Vorratsrolle [36] verwendet werden, indem der Motor an einen Gelenkarm [81] montiert wird, der je nach Anwendungsfall, den Motor bzw. dessen Antriebsrolle gegen die Vorratsrolle in Position A oder die Kleineren Druckerrollen [37] in Position B drückt.
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Zeichnung 1
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Zeigt den prinzipiellen Aufbau des Apparates. Aus dem Extruder [10] und dessen Extruderdüse [11] tritt der Filament- oder Kunststoffdraht [40] aus. Der Draht [40] wird durch die Förderrolle [31] und die Andruckrolle [32] von der Extruderdüse [11] in Richtung einer Vorratsrolle gezogen. Auf dem Weg von der Extruderdüse zur Förderrolle [31] wird der Draht durch eine Luftkühlung [20] mit Luft beströmt um die Verfestigung des im Extruder erhitzten und erweichten Drahtes zu erreichen. Nach dem Passieren der Förderrolle wird der Draht auf eine Vorratsrolle [34] gewickelt
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Zeichnung 2
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Zeigt im Detail den Austritt des verformbaren Drahtes [41] aus der Extruderdüse [11]. Im Weiteren ist als gestrichelte Linie der Glasübergang [42] dargestellt, an der die äußeren Schichten des Drahtes die Glasübergangstemperatur unterschreiten und der verfestigte Draht [43] sich weiter im Kühlluftstrom [24] fortbewegt, der aus der Luftaustrittsdüse [23] der Luftkühlung [20] strömt. Die Luftkühlung [20] besteht aus dem Luftführungsgehäuse [22] in dem sich ein oder mehrere Lüfter [21] befinden, die den Kühlluftstrom [24] aus der Luftaustrittsdüse [23] bewegen.
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Zeichnung 3
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Zeigt zusätzlich zu den Details der Zeichnung 2 eine CCD-Kamera [61] die gegenüber einer Lichtquelle [62] angeordnet ist, wobei der erstarrte Filament-Draht [43] sich zwischen der Kamera und der Lichtquelle in Richtung der Förderrollen [31, 32] bewegt.
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Zeichnung 4
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Zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Regelkreises zur Einhaltung einer konstanten Drahtstärke. Aus der Drahtstärkenmessung [60] wird ein Istwert [63] proportional zum Drahtdurchmesser gewonnen, welchen der Regler [65] mit den Sollwert [64] des Drahtdurchmessers vergleicht, um hieraus ein Korrektursignal [66] für den Motor [33] der Förderrolle [31] zu erzeugen.
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Zeichnung 5
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Zeigt den Bereich zwischen den Förderrollen [31, 32], dessen Antriebsmotor [33] und der Vorratsrolle [34] in dem eine Linearführungsspindel [72] angetrieben durch einen Motor [71] einen Linearführungs-Wagen [73] vor der Vorratsrolle hin und her bewegt, so dass der Draht auf der Vorratsrolle in gleichmäßigen vollständig gefüllten Lagen aufgewickelt wird.
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Zeichnung 6
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Zeigt die Umschaltung der Antriebsrolle [36] zwischen Vorratsrolle [34] und Druckerrolle [37] durch Umlegen eines Gelenkarms [81] von der Position A zum Antrieb der Vorratsrolle in die Position B zum Antrieb der Druckerrolle [37]
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Extruder
- 11
- Extruderdüse
- 20
- Luftkühlung
- 21
- Lüfter
- 22
- Luftführungsgehäuse
- 23
- Luftaustrittsdüse
- 24
- Kühlluftstrom
- 31
- Förderrolle
- 32
- Andruckrolle
- 33
- Antriebsmotor Förderrolle
- 34
- Vorratsrolle
- 35
- Vorratsrollen Antriebsmotor
- 36
- Vorratsrollen Antriebsrolle
- 37
- Druckerrolle
- 40
- Kunststoffdraht bzw. Filamentdraht
- 41
- Kunststoffdraht verformbarer Bereich
- 42
- Kunststoffdraht Glasübergang
- 43
- Kunststoffdraht erstarrter Bereich
- 60
- Drahtstärkenmessung
- 61
- CCD Kamera
- 62
- Lichtquelle
- 63
- Drahtstärke Istwert
- 64
- Drahtstärke Sollwert
- 65
- Drahtstärkenregler
- 66
- Drahtstärke Korrektursignal
- 71
- Linearführungsmotor
- 72
- Linearführungsspindel
- 73
- Linearführungswagen
- 81
- Gelenkarm
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.filastruder.com/products/filawinder [0002]
- http://d3dinnovations.com/filafab/ [0002]
