-
Die Erfindung betrifft einen insbesondere zur Anwendung bei einem 3D-Herstellungsverfahren bestimmten Druckkopf mit zumindest einer Zuführung für ein aufschmelzbares Filament und mit einer Düse für das oberhalb seiner Erweichungs- oder Schmelztemperatur erwärmte Filament. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Körper, hergestellt durch ein mit dem Druckkopf durchführbares additives Herstellungsverfahren, bei dem ein als Filament zugeführtes Kunststoffmaterial aufgeschmolzen und durch schichtweises Auftragen der Körper hergestellt wird.
-
Ein solcher Druckkopf dient zum 3D-Drucken mittels Schmelzschichtung nach den an sich bekannten FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling) oder FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication), bei denen eine heiße Kunststoffmasse aus einem oder mehreren aufgeschmolzenen Filamenten in Form von Fäden oder Punkten auf eine Unterlage aufgetragen wird. Durch schichtweise Auftragung wird somit ein Körper erzeugt.
-
Der Druckkopf umfasst dazu wenigstens eine Düse zur dosierten Ausgabe des erweichten oder verflüssigten Filaments mit einer Durchlassöffnung. Zur Erwärmung umfasst die Düse üblicherweise eine Heizvorrichtung.
-
Die Düse ist typischerweise gemeinsam mit dem Druckkopf beweglich, wobei auch Bauformen bekannt sind, bei denen die Grundfläche, auf dem der dreidimensionale Körper gestaltet werden soll, verfahren wird. Bei einigen Anwendungen ist die Druckdüse lediglich vertikal beweglich, während der Drucktisch in einer horizontalen Ebene verfahren werden kann. Auch die vollständige, dreiachsige Bewegung des Drucktischs ist bekannt.
-
Die geschmolzenen und aufgetragenen Fäden oder Punkte verbinden bzw. verschmelzen an ihren Grenzflächen miteinander und verfestigen sich, sodass ein belastbares, dreidimensionales Kunststoffgebilde entsteht.
-
Zur Erhöhung der Festigkeit des hergestellten Körpers ist es aus der
US 2016/046803 A1 bekannt, als Druckmaterial ein polymerisierbares Monomer zu verwenden, dem ein faserförmiger Verstärkungsstoff zugesetzt ist, um die Festigkeit des Körpers durch die darin eingebetteten Fasern zu erhöhen.
-
Gemäß der
DE 10 2016 013 857 A1 wird ein Bauteil mittels eines 3D-Herstellungsverfahrens aus wenigstens einem Material schichtweise aufgebaut, während Verstärkungsfasern, beispielsweise Endlosfasern, in das Bauteil eingebracht werden. Die derart hergestellten Bauteile werden durch die vorzugsweise entlang des vorgegebenen Lastpfads angeordnet eingebrachten Verstärkungsfasern, beispielsweise Glasfasern, Aramidfasern, Stahlfasern Karbonfasern, synthetische Fasern, kunststoffbasierte Fasern und/oder Keramikfasern, derart verstärkt, dass diese besonders gute Festigkeitseigenschaften aufweisen.
-
Ferner ist aus der
DE 10 2017 202 224 A1 ein Filament für 3D-Druck bekannt, bei dem ein 3D-druckbares Material einen elektrisch leitfähigen Draht umgibt. Hierzu hat der Druckkopf eine Trennvorrichtung zum Durchtrennen eines solchen Filaments.
-
Es ist auch bekannt, mehrere Düsen so anzuordnen, dass sich nur die aktive Düse im Arbeitsbereich befindet, während die übrigen Düsen hinter eine Abdeckung zurückgezogen werden, um so das Nachtropfen von geschmolzenem Kunststoff aus der nicht benötigten Düse zu vermeiden, welches zu einem unsauberen Druckbild führt.
-
Die
EP 3 020 550 B1 betrifft einen Druckkopf unter Verwendung eines Extruders zur Herstellung dreidimensionaler Körper mit einem 3D-Druck-Verfahren, wobei eine Abdeckung vorhanden ist, um die Durchlassöffnung in Ausgaberichtung hinter der Düse abzudecken und nachtropfende Schmelze aufzufangen. Die Abdeckung und die Düse sind relativ zueinander beweglich, sodass die Durchlassöffnung im Ruhezustand von der Abdeckung in Ausgaberichtung abgedeckt und zum Drucken wieder freigeben werden kann. Durch eine Kurvensteuerung ist die Bewegung der Abdeckung an die Bewegung der Düse gekoppelt.
-
Die Detailgenauigkeit des Körpers ist abhängig von dem Durchmesser der Durchlassöffnung der Düse. Feinere Düsen mit geringerer Durchlassöffnung lassen eine höhere Auflösung zu.
-
Jedoch benötigen sie auch mehr Zeit für den Druckvorgang, weil so nur vergleichsweise dünnere Schichten aufgetragen werden können.
-
Es sind auch bereits Düsen-Wechselvorrichtungen bekannt, um so unterschiedliche Düsengrößen auswählen zu können, wobei der Druckkopf für jeweils einen kompletten Druckvorgang mit einer passenden Düse versehen wird.
-
Der Düsenwechsel ist jedoch zeitaufwändig und kompliziert, da er am aufgeheizten Druckkopf durchgeführt werden muss. Auch wenn nur für wenige Stellen des Körpers eine andere Düse benötigt wird, muss bei diesem Vorgehen dennoch die entsprechende feine Düse für den kompletten Druckvorgang eingesetzt werden, wodurch die Fertigung verzögert wird.
-
Es ist bereits an eine Düse gedacht worden, die unterschiedlich dicke Kunststofffäden extrudieren kann, was allerdings technisch derzeit noch nicht möglich ist. Zwar gibt es verschiedene Lösungsansätze zum 3D-Druck mit unterschiedlichen Düsendurchmessern, wie Vielfachdüsen und Rotationsdüsen, jedoch sind diese relativ kompliziert und teuer.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, sowohl feine Konturen als auch grobe Konturen mit großen Schichtstärken mit derselben, an sich unveränderten Düse zu erzeugen. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen durch ein additives Herstellungsverfahren mit dem Druckkopf hergestellten Körper zu schaffen.
-
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Druckkopf gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Erfindungsgemäß ist also ein Druckkopf vorgesehen, der eine in Strömungsrichtung hinter der Düse angeordnete Maske mit zumindest einer Durchlassöffnung für zumindest ein über seine Schmelz- oder Erweichungstemperatur erwärmtes Filament aufweist, wobei die Maske austauschbar und/oder beweglich an einer Aufnahme des Druckkopfs angeordnet ist und/oder zumindest eine Durchlassöffnung der Maske eine einstellbare und/oder veränderliche Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche aufweist. Hierdurch wird erstmals eine Formung des zugeführten Materials beim Körperaufbau durch verschiedene Durchlassöffnungen erreicht, wobei alternativ oder ergänzend eine Strangformung eines Strangs aus mehreren erweichten Filamenten erreicht werden kann. Indem ein oder mehrere Filamente mit einem zunächst einheitlichen, beispielweise kreisförmigen Querschnitt bedarfsweise zu unterschiedlichen Einzel- bzw. Strangquerschnittsformen geformt werden, kann die Strangform an die jeweiligen Anforderungen der herzustellenden Bauteile optimal angepasst werden. So kann beispielsweise die Breite der Filamente oder des Strangs quer zur Auftragsrichtung auf der Unterlage an die herzustellende Kontur optimal angepasst werden, indem für eine geringe Breite das Filament mit einer Orientierung seiner Schmalseite oder bei mehreren Filamente in einer Reihenanordnung des Strangs hintereinander und für eine große Breite nebeneinander angeordnet werden.
-
Der besonders vorteilhafte Gedanke der Erfindung wird dadurch realisiert, dass mittels der Maske mehrere Filamente zu einem gemeinsamen Strang mit variabler Querschnittsform zusammenführbar sind. Obwohl nicht ausgeschlossen werden soll, diese Filamente zusätzlich zu verschlingen oder zu verdrillen, werden diese vorzugsweise lediglich zu unterschiedlichen, vorzugsweise ovalen Formen gebündelt, deren jeweilige Orientierung der Hauptachse an die Kontur des zu erzeugenden Körpers angepasst werden kann. Zudem können so auch Querschnittskonturen geschaffen werden, die eine primär rechteckige Form aufweisen, um so beispielsweise kubische Formen zu erzeugen. Geschwungene Formen mit einer Vielzahl von Bögen können demgegenüber vorzugsweise durch ovale Querschnittsformen des Strangs erzeugt werden, wobei die Hauptachse des ovalen Stangquerschnitts in einer Orientierung parallel zur Auftrags- oder Vorschubrichtung des Druckkopfs geführt wird. Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass der Einsatz verschiedener Filamente mit unterschiedlichen Durchmessern und der damit einhergehende Austausch der Düsen dann entbehrlich ist, wenn vergleichsweise dünne Filamente zu Bündeln oder Strängen geformt werden, wobei im Verlauf eines ununterbrochenen Arbeitsschrittes die Anzahl der Filamente konstant erhalten bleiben kann und dennoch erfindungsgemäß die Querschnittsform an die zu erzeugende Kontur anpassbar ist. Die an sich naheliegende Erkenntnis, dass sich kreisförmige Querschnitte besser in einem gebogenen Verlauf verlegen lassen als eckige Querschnitte, findet durch die einstellbare Querschnittsform erstmals eine praktische Umsetzung bei einem Druckkopf, beispielsweise für 3D-Druckvorrichtungen.
-
Erfindungsgemäß wird aber auch noch ein weiterer vorteilhafter Effekt der Strangstruktur genutzt. Indem nämlich durch die unterschiedlichen Querschnittsformen auch ein unterschiedliches Verhältnis der Querschnittsfläche gegenüber dem Umfang einhergeht, insbesondere also unterschiedliche Umfangsflächen im Verhältnis zu der Masse des Kunststoffmaterials erzeugt werden, ist die Dauer sowie der zeitliche Verlauf der Erwärmung sowie der Abkühlung unterschiedlich, also ebenfalls von der Querschnittsform abhängig.
-
Dadurch kann beispielsweise selektiv eine besonders schnelle Abkühlgeschwindigkeit voreingestellt werden, welche zu einem erweiterten Gestaltungsfreiraum der zu erzeugenden Konturen führt. Unerwünschte Schwankungen der Bauteilqualitäten bei vornehmlich flächigen oder kompakten Strukturen im Verhältnis zu filigranen oder feingliedrigen Strukturen lassen sich so erstmals auch dann wirkungsvoll vermeiden, wenn derart unterschiedliche Strukturen in einem gemeinsamen Bauteil vereinigt sind und dieses in einem einheitlichen Verfahrensschritt hergestellt wird.
-
Die Erfindung eignet sich primär zur Anwendung bei thermoplastischem Druckmaterial, wie es bei 3D-Herstellungsverfahren, insbesondere dem Filamentdruck, zur Anwendung kommt. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, anderweitige strangförmige Substanzen und Materialien, die hier zusammenfassend als Filamente bezeichnet werden, zu verwenden, welche sich durch entsprechende Düsen aufbringen und anschließend, beispielsweise auch unter Verwendung weiterer Reaktionspartner einschließlich UV-Licht aushärten lassen. Hierdurch wird die Erfindung weder beschränkt noch sind diese Materialien vom erfindungsgemäßen Gedanken eines Druckkopfs ausgenommen. Beispielhaft, jedoch nicht abschließend seien hier Materialien mit lichthärtenden Eigenschaften, Trocknung durch Lösungsmittelverdampfung und Quervernetzungen von Kunststoffen genannt.
-
Mehrere Masken mit verschiedenen Durchlassöffnungen könnten austauschbar an dem Druckkopf angeordnet sein. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Durchlassöffnung durch mehrere relativ zueinander bewegliche Segmente begrenzt ist, die beispielsweise auch einzeln zustellbaren Segmente dienen, primär der Querschnittsformung ohne eine wesentliche Veränderung der Querschnittsfläche, wobei eine Komprimierung des Strangs grundsätzlich nicht ausgeschlossen ist. Beispielsweise können derartige Masken geteilt sein und von gegenüberliegenden Seiten in Richtung des Strangs zustellbar sein. Auf diese Weise wird es auch möglich, die relative Position der Segmente der Durchlassöffnung während der Zuführung der Filamente in Abhängigkeit der herzustellenden Kontur zu verändern.
-
Eine Formgebung des Strangquerschnitts wird in besonders vorteilhafter Weise auch dadurch erreicht, dass die Maske um eine insbesondere zu der Durchgangsrichtung parallele Achse schwenkbeweglich angeordnet ist, wobei die Betätigung sowohl manuell als mittels einer Steuereinheit automatisiert erfolgen kann.
-
Eine andere, ebenfalls besonders Erfolg versprechende Abwandlung der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass der Druckkopf eine Zuführung für zumindest eine Faser, insbesondere eine Faserverstärkung, aufweist, welche vorzugsweise von mehreren Filamenten umfangsseitig eingeschlossen wird. Hierdurch wird die Belastbarkeit der so hergestellten Bauteile nach dem an sich bekannten Prinzip faserverstärkter Kunststoffe wesentlich verbessert, wobei für derartige Zwecke bekannte Verstärkungsfasern verwendet werden können. Zudem können auch elektrische Leiter oder Lichtwellenleiter verwendet werden, um so entsprechende Funktionseigenschaften zu generieren.
-
Dabei erfolgt die Zuführung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung dadurch, dass die Zuführung der Faser gemeinsam mit dem über seine Schmelz- oder Erweichungstemperatur erwärmten Filament durch die Durchlassöffnung hindurch erfolgt. Dadurch ist die Verstärkungsfaser umfangsseitig eingebettet in ein einzelnes Filament oder mehrere insbesondere gleichverteilt angeordnete Filamente und folgt somit dem Verlauf des Filaments, sodass zusätzliche Führungselemente entbehrlich sind.
-
Gemäß einer weiteren, besonders praxisgerechten Ausgestaltungsform der Erfindung weist der Druckkopf eine Trennvorrichtung zum Trennen der Faser auf, um so die Faser separat oder zusammen mit den Filamenten zu durchtrennen. Sofern eine vollständige Einbettung der Verstärkungsfaser gewünscht ist, kann diese auch bereits vor dem Ende der Filamente abgetrennt werden, sodass die Verstärkungsfaser gegenüber dem Filamentende zurücktritt.
-
Ferner ist es auch von Vorteil, wenn der Spritzkopf mit einem Abstreifer zur Glättung einer Oberfläche des zu erzeugenden Bauteils ausgestattet ist, um so die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit zu erzeugen.
-
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin noch mit einem durch das additive Herstellungsverfahren hergestellten Körper dadurch gelöst, dass die Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche eines Filaments und/oder mehrerer zu einem Strang gebündelter Filamenten insbesondere auch während der Zuführung der oberhalb ihrer Erweichungstemperatur erwärmten Filamente verändert wird. Hierdurch wird erstmals im laufenden Betrieb eine variable Einstellung des Querschnitts des Filamentstrangs oder des Filaments ermöglicht.
-
Besonders bevorzugt wird dabei die Querschnittsform und/oder Querschnittsfläche aufgrund eines Steuerprogramms in Abhängigkeit der zu erzeugenden Kontur, insbesondere auftretender Radien, und eines hierzu generierten Steuerprogramms abschnittsweise verändert, sodass selektiv bzw. abschnittsweise unterschiedliche Eigenschaften des Filamentstranges eingestellt werden können.
-
Besonders bevorzugt werden mehrere, mittels separater Düsen über ihre Schmelz- oder Erweichungstemperatur erwärmte Filamente mittels der Maske zu einem Strang mit einer entsprechend dem Bearbeitungsprogramm vorbestimmten Querschnittskontur zusammengeführt, wobei die Filamente untereinander eine weitgehend parallele Orientierung einhalten.
-
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
- 1 eine Seitenansicht eines Druckkopfs mit einer Maske für ein zugeführtes Filament;
- 2 eine Draufsicht auf die Maske mit mehreren alternativ nutzbaren Durchlassöffnungen;
- 3 einen Strang aus mehreren Filamenten in einer kreisförmigen Anordnung;
- 4 einen Strang aus mehreren Filamenten in einer linienförmigen Anordnung.
-
Ein zur Anwendung bei einem 3D-Herstellungsverfahren bestimmter Druckkopf 1 mit zumindest einer Zuführung 2 für ein aufschmelzbares Filament 3 wird nachstehend anhand der 1 bis 4 näher erläutert. Beim dem an sich bekannten 3D-Druck wird ein thermoplastisches Druckmaterial des Filaments 3 aufgeschmolzen und im flüssigen oder erweichten Zustand selektiv den Stellen des herzustellenden Körpers zugeführt. Dabei kühlt das Druckmaterial ab und erstarrt. Auf diese Weise können Körper mit frei wählbarer Formgebung schichtweise aufgebaut werden. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist dabei eine in Strömungsrichtung hinter einer Düse 4 angeordnete Maske 5 mit einer Durchlassöffnung 6 für das über seine Schmelz- oder Erweichungstemperatur erwärmte Filament 3, welches bevorzugt mit weiteren Filamenten 3 zu einem Strang 7 mit einem für die jeweiligen Einsatzbedingungen angepassten Strangquerschnitt 8 gebündelt wird. Hierzu ist die Durchlassöffnung 6 einstellbar, um so die gewünschte Querschnittsform bei zumindest im Wesentlichen konstanter Querschnittsfläche zu erzeugen. Hierdurch wird erstmals eine Formung des zugeführten Kunststoffmaterials des Filaments 3 beim Körperaufbau durch die selektive Querschnittsformung des Strangs 7 oder des Filaments 3 realisiert. Hierdurch kann der Filamentquerschnitt oder der Strangquerschnitt 8 an die jeweiligen Anforderungen des herzustellenden Bauteils und der im Verlauf seiner Herstellung auftretenden unterschiedlichen Konturen optimal angepasst werden, wobei insbesondere die Breite des Strangquerschnitts 8 oder Filamentquerschnitts quer zur Auftragsrichtung des Kunststoffmaterials auf einer nicht gezeigten Unterlage variiert wird. Neben im Wesentlichen runden und ovalen Formen können auch Reihen hintereinander oder nebeneinander angeordneter Filamente 3 zu entsprechenden Strangquerschnitten 8 verbunden werden.
-
In 1 ist eine einfache Ausgestaltungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher ein Filament 3 mittels der beiden Antriebsrollen 9 aufweisenden Zuführung 2 der Düse 4 einer Schmelzkammer 10 zugeführt wird, in welcher das thermoplastische Kunststoffmaterial des Filaments 3 auf eine Temperatur oberhalb seiner Erweichungstemperatur erwärmt wird. In Förderrichtung hinter der Düse 4 ist eine Aufnahme 11 für die in 2 gezeigte Maske 5 zu erkennen, die beispielsweise translatorisch oder rotatorisch an der Aufnahme beweglich ist, um so die jeweils gewünschte Querschnittsform des Filaments 3 durch die Auswahl der entsprechenden Durchlassöffnung 6 einzustellen, die hierzu fluchtend zu einer Düsenöffnung der Düse 4 positioniert wird. Der Schmelzefaden des Filaments 3 wird somit in seiner Querschnittsform variabel, wobei die Durchlassöffnung 6 auch während des Herstellungsprozesses verändert werden kann.
-
In ähnlicher Weise können auch mehrere Filamente 3 zu dem in 3 und 4 gezeigten gemeinsamen Strang 7 zusammengeführt werden, indem eine gemeinsame Durchlassöffnung 6 den Strangquerschnitt 8 der Bündelung mehrerer erweichter Filamente 3 bzw. Schmelzefäden bestimmt. Zudem ist auch eine Kombination derart realisierbar, dass jedes Filament 3 zunächst für sich geformt und anschließend eine daran angepasste Strangformung mehrerer Filamente 3 vorgenommen wird.
-
Wie in 3 und 4 dargestellt, kann der Strang 7 mehrere Filamente 3 durch zumindest eine Faser 12, insbesondere als eine Faserverstärkung mit hoher Zugfestigkeit verstärkt sein, wobei die Faser 12 auch weiter funktionale Eigenschaften, wie etwa ein hohe elektrische oder thermische Leitfähigkeit, aufweisen kann. Auf diese Weise kann die Integration unterschiedlicher Funktionen des herzustellenden Kunststoffbauteils erreicht werden. Beispielsweise können elektrische Kontaktierungen bereits im Herstellungsprozess vorgesehen werden. Zum Trennen der Faser 12 ist in dem Druckkopf eine nicht gezeigte Schneidvorrichtung vorgesehen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Druckkopf
- 2
- Zuführung
- 3
- Filament
- 4
- Düse
- 5
- Maske
- 6
- Durchlassöffnung
- 7
- Strang
- 8
- Strangquerschnitt
- 9
- Antriebsrolle
- 10
- Schmelzkammer
- 11
- Aufnahme
- 12
- Faser
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2016046803 A1 [0006]
- DE 102016013857 A1 [0007]
- DE 102017202224 A1 [0008]
- EP 3020550 B1 [0010]
