WO2019109114A1 - Druckkopf für das schichtweise aufbringen von material - Google Patents

Druckkopf für das schichtweise aufbringen von material Download PDF

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WO2019109114A1
WO2019109114A1 PCT/AT2018/000094 AT2018000094W WO2019109114A1 WO 2019109114 A1 WO2019109114 A1 WO 2019109114A1 AT 2018000094 W AT2018000094 W AT 2018000094W WO 2019109114 A1 WO2019109114 A1 WO 2019109114A1
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extrusion
nozzle
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extrusion head
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PCT/AT2018/000094
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English (en)
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Inventor
Konrad SCHREINER
Original Assignee
Schreiner Konrad
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/209—Heads; Nozzles

Definitions

  • the invention relates to an extrusion head, in particular a printing head, for the layered application of material for the generative production of a shaped body, comprising an extrusion die with an extrusion channel and a
  • Heating device for the melting of the polymer material supplied to the extrusion die is
  • Generative manufacturing processes also known as 3D printing processes, are characterized by the fact that the structure of a shaped body takes place in layers. Usually, each line or pointwise repeated
  • the layer thicknesses are between 0.025 and 1.25 mm or above.
  • the basis for 3D printing processes are computer models of the object to be manufactured, which can be generated, for example, with the aid of CAD software. This is a
  • Elevation layer plan of the object to be manufactured in which a production grid is generated for each layer, which defines which cells of the grid
  • site-selective production material is to be stored and solidified.
  • the invention preferably relates to a 3D printing process called Fused Deposition Modeling (FDM) or Fused Filament Fabrication (FFF) in which a molded article of a meltable plastic is built up in layers.
  • FDM Fused Deposition Modeling
  • FFF Fused Filament Fabrication
  • Hardening of the material by cooling at the desired position of the working plane.
  • the material application can be strand-shaped or punctiform.
  • Thermoplastics such as Polyethylene, polypropylene,
  • Polylactide, ABS, PETG and thermoplastic elastomers can be used.
  • the heating and extruding of the filament material is usually carried out by means of a printhead, which is also referred to as "hot-end.”
  • the filament is conveyed through a heated chamber of the printhead in conventional FDM processes and melted there
  • the melt passes into the open air and is deposited on a building platform.
  • the temperature must not be too high at the material inlet side of the heated chamber, because here the still solid filament is pushed. Only the feeding of filament at the chamber entrance leads to pushing out of molten material at the extrusion nozzle. If the temperature at the chamber entrance is too high, the filament softens and due to the lack of strength it can not be postponed. 3D printing using the FDM process can also fail if the temperature at the end of the nozzle is too low and the material is insufficiently melted. The nozzle is then melted through
  • the present invention therefore aims to provide an extrusion head, in particular printhead for a 3D printer, to the effect that the maintenance of predefined temperature conditions in the extrusion head are simplified and an adaptation of the temperature conditions to be met to changing filament material can be made possible.
  • the invention essentially provides in a device of the type mentioned above that the heating device is designed as an inductive heater, which comprises an inductor surrounding the extrusion nozzle, wherein the extrusion nozzle consists at least partially of an inductively heatable material.
  • Inductor to the inductively heatable material of Extrusion nozzle, so that the nozzle body, if this is not completely made of the inductively heatable material, can be used for mechanical fixation, for thermal insulation or for heat dissipation.
  • the extrusion die may be suitable for a
  • thermal and possibly electrical insulation is held in a surrounding insulating body, which preferably consists of a ceramic material.
  • the insulating body may be an annular cross section on iron and possibly provided with axial openings in order to increase the available heat dissipation surface, which sometimes by
  • the inducer such as e.g. at least one induction coil, in or on the insulating body
  • the induction coil can also from
  • the at least one induction coil can preferably be arranged surrounding the insulating body, in particular to be wound around this.
  • the inductor may also comprise a plurality of coil elements which are embedded in or applied to the insulating body, for example by means of a 3D printing process. This is advantageous, in particular, for the case where the insulating body, which is preferably made of a ceramic material, is produced by a generative manufacturing method. In addition, the generative manufacturing process also makes it possible to design the openings as specifically designed cooling channels.
  • a material feed body is provided for the supply of the filament to the extrusion die, one with the extrusion of the
  • Extrusion nozzle has aligned supply channel.
  • the feed channel is not used for extrusion, but merely for feeding the filament to the extrusion die, so that the feed channel can preferably be cylindrical.
  • the extrusion channel can have a conically tapered configuration, wherein a continuous cross-sectional constriction is preferably provided.
  • Extrusion die Filament materials differ in particular in their melting behavior.
  • the extrusion die is therefore preferably adapted to the respective extrusion material.
  • Thermal conductivity coefficient determines to what extent the temperature of the heated inner edge of the
  • Extrusion nozzle may be passed.
  • the geometry should be specific to the material properties of the
  • Extrusion nozzle either directly or through the intermediary of another component, in particular the
  • Insulating body is connected to the Materialzu slaughterhouse. Thereby a plurality of extrusion nozzles with different properties, e.g. be kept in stock with different geometry of the extrusion channel, and in a material change and the extrusion die can be replaced.
  • Extrusion die is preferably carried out with the aid of a
  • the extrusion die can be screwed directly to the Materialzu slaughter ceremonies.
  • an indirect connection of the extrusion die to the material supply body may be provided, whereby a further component, such as e.g. the insulating body, is provided, which is in communication with the Materialzu slaughter ceremonies and with which the extrusion die is detachably connected.
  • the channel wall of the Extrusion channel of the extrusion die of at least one layer of material is formed of a different material from the nozzle body of the extrusion die material.
  • the material layer is arranged so that it is in contact with the extruded material forced through the extrusion channel.
  • the at least one layer of material is formed as a sleeve, which is received in the nozzle body and limits the extrusion channel.
  • the nozzle body e.g. is manufactured as a body with a consistent geometry and the adaptation of the extrusion channel geometry
  • the material layer by a
  • Coating process can be applied.
  • the sleeve itself as an extrusion die
  • a nozzle body as a carrier of the sleeve can be omitted.
  • the sleeve formed as an extrusion nozzle can be constructed in multiple layers.
  • the material of the at least one layer of material may be selected depending on the desired function.
  • the material layer consists of the inductively heatable material, so that the heat energy directly to the channel wall of the
  • the nozzle body may consist of the inductively heatable material and a coating consists of a non-inductively heatable material.
  • the nozzle body consists of an inductively heatable material and has a conical on the inside
  • Extrusion channel is used.
  • the nozzle body made of a material
  • Filament material melt optimized geometry at the
  • Inner side holds on which a layer of inductively heatable material is arranged.
  • the layer of the inductively heatable material is preferably applied by means of a coating method.
  • the nozzle body consists of an inductively heatable material and provides on the inside a geometry optimized for the filament material melt
  • the channel wall of the extrusion channel is formed by a sleeve which is made of a non-inductive
  • an inductively heatable surface is preferably applied by means of a coating method or a deep-drawing method.
  • the channel wall of the extrusion channel is formed by a sleeve which is made of a non-inductive
  • the sleeve is cone-shaped, wherein the cone is used to the sleeve with a nozzle body of an inductively heatable
  • the invention relates in a further aspect to a modular system for the layered application of
  • printhead which is a replaceable first
  • Extrusion nozzle comprises, and further comprising at least one second extrusion die, wherein the first and the second extrusion die each having an extrusion channel having a tapered in the exit direction of the material cross-section, wherein the extrusion channel of the first and the second extrusion die one another
  • the invention relates to a device for the generative production of a shaped body comprising a construction platform, at least one Extrusion head according to the invention, in particular print head or a modular system according to the invention for
  • the construction platform is rigid or merely height-adjustable, and the extrusion head, which is preferably exchangeably received in a support,
  • Positioning system two-dimensional in one plane or three-dimensional positionable or movable in space.
  • the positioning system distinguishes between a Cartesian system and a so-called "Delta" system.
  • Cartesian principle the positioning of the carrier is carried out by means of three driven linear axes, which span the three-dimensional space with the coordinate axes x, y and z.
  • the delta printer uses the principle of parallelogram kinematics and can be programmed so that the carrier accommodating the print head can be moved.
  • a three-dimensional positioning is realized here by the method of three driven, triangular spanning axes in the vertical direction, which hold the carrier.
  • FIG. 1 shows an external view of a 3D printer
  • FIG. 2 shows a plan view of the 3D printer according to FIG 1, 3 a first interior view of the 3D printer,
  • FIG. 4 shows a second internal view of the 3D printer
  • FIG. 5 shows a view according to FIG. 4 with a printhead embedded in the printing chamber
  • FIG. 6 shows a printhead according to the invention in a sectional view
  • FIG. 7 shows the extrusion nozzle of FIG
  • FIG. 8 shows the production of a sleeve for forming the extrusion channel of an extrusion die
  • FIG. 9 shows a modified embodiment of the print head.
  • a 3D printer 1 is shown.
  • the 3D printer has a main housing 2, which at least one
  • a carrier 5 is held in a positionally adjustable position by means of a positioning system.
  • the carrier 5 carries printheads 6, which for
  • the 3D printer 1 further includes a laterally on
  • Main housing 2 arranged additional housing 7, which at least one, preferably three receiving or
  • Insert slots for interchangeable inserts has.
  • Main housing 2 has a triangular outline, wherein the additional housing 7 is arranged laterally of the main housing 2 and three receiving or insertion slots 15 for
  • replaceable insert 16 can be inserted or inserted in the direction of arrow 42 in the respective receiving or insertion slot 15.
  • FIG. 3 In the interior view of FIG. 3 is now the
  • the positioning system comprises three vertical guides, e.g. Guide rods 8, of which in Fig. 3 two
  • toothed belt 10 which is driven in each case by a stepping motor 11.
  • the carrier 5 is hinged by means of bilateral
  • the replaceable inserts 16 are open to the space 4, so that the carrier 5 can be loaded from the interchangeable inserts 16 with printheads.
  • the interchangeable inserts 16 each have a housing, wherein in the arranged in Fig. 3 further back
  • interchangeable insert 16 a rear and a front housing wall 18 can be seen.
  • the interchangeable insert 16 arranged further in FIG. 3, only the rear housing wall 19 can be seen.
  • Housing wall is not for clarity
  • the housings of the interchangeable inserts 16 may optionally be provided a partition 17, which is the two
  • the removable inserts 16 include a
  • the roll of material 20 is a
  • Feed device 21 assigned, which is designed to remove the filament from the roll 20 and the
  • the print head 6 is in one
  • Holding device 22 is held, which is mounted on an arm 23 consisting of several segments.
  • FIG. 4 shows the same 3D printer as FIG. 3 in one
  • interchangeable insert 16 is arranged, this was shifted in the representation of FIG. 5 in the projecting into the space 4 transfer position.
  • the displacement takes place here by the pivoting of the arm 23 to which the holding device 22 is attached.
  • the transfer position of the printhead 6 shown in Fig. 5 allows a transfer of the print head 6 of the holding device 22 in a Druckkopfaufnähme the carrier 5.
  • the carrier 5 can be moved up to the purpose held in the holding device 22 printhead 6 for this purpose so that
  • the holding device 22 is so
  • a print head 6 is shown in a sectional view, wherein the print head can be used in a device according to FIGS. 1-5 or in a differently constructed 3D printer.
  • the print head comprises a material feed body 24 with a feed channel 25.
  • a feed channel 25 In the lower region of the material feed body 24 is a
  • Extrusion nozzle 27 carries, which has an extrusion channel 28 which is aligned with the feed channel 25.
  • Insulating body 26 surrounding an induction coil 29 is provided, which is designed for inductive heating of an inductively heatable material of the extrusion die 27.
  • the extrusion die 27 is by means of a
  • Extrusion die 27 comprises a nozzle body 35 and one or more delimiting the extrusion channel 28
  • a preferred manufacturing method for producing a nozzle channel 28 limiting sleeve is shown, wherein the sleeve of three layers 32, 33 and 34 is formed, which are formed of mutually different materials. It becomes a temporary carrier 31
  • the carrier 31 can be both a reusable mold and a destructible in the manufacturing process form.
  • a sleeve such as e.g. the sleeve of FIG. 8, used directly as an extrusion die.
  • the extrusion die 27 is of the
  • Isolation body 26 held or edged, the
  • finger-like holding elements 35 which engage the tapered front portion of the extrusion die 27. Between the finger-like holding elements 35 remain openings, through which a cavity 36 of the insulating body 26 is in communication with the environment. The insulating body 26 is held on the outer jacket of the material supply body 24.

Abstract

Bei einem Extrusionskopf, insbesondere Druckkopf (6), für das schichtweise Aufbringen von Material zur generativen Fertigung eines Formkörpers, umfassend eine Extrusionsdüse (27) und eine Heizeinrichtung für das Aufschmelzen des der Extrusionsdüse (27) zugeführten Polymermaterials, ist die Heizeinrichtung als induktive Heizung ausgebildet, welche einen die Extrusionsdüse (27) umgebenden Induktor umfasst, wobei die Extrusionsdüse (27) zumindest teilweise aus einem induktiv erwärmbaren Material besteht.

Description

Druckkopf für das schichtweise Aufbringen von Material
Die Erfindung betrifft einen Extrusionskopf, insbesondere Druckkopf, für das schichtweise Aufbringen von Material zur generativen Fertigung eines Formkörpers, umfassend eine Extrusionsdüse mit einem Extrusionskanal und eine
Heizeinrichtung für das Aufschmelzen des der Extrusionsdüse zugeführten Polymermaterials.
Generative Fertigungsverfahren, auch 3D-Druckverfahren genannt, zeichnen sich dadurch aus, dass der Aufbau eines Formkörpers schichtweise erfolgt. Üblicherweise wird wiederholt jeweils zeilen- oder punktweise eine
Arbeitsebene abgefahren und ortsselektiv Material
ausgebracht und die Arbeitsebene danach nach oben
verschoben. Die Schichtdicken liegen je nach Anwendungsfall zwischen 0,025 und 1,25 mm oder darüber. Grundlage für 3D- Druckverfahren sind Computermodelle des zu fertigenden Objekts, welche beispielsweise unter Zuhilfenahme einer CAD-Software generiert werden können. Dabei wird ein
Höhenschichtplan des zu fertigenden Objekts hergestellt, bei dem für jede Schicht ein Fertigungsraster erzeugt wird, welcher definiert, an welchen Zellen des Rasters
ortselektiv Fertigungsmaterial abgelegt und verfestigt werden soll.
Die Erfindung bezieht sich vorzugsweise auf ein 3D- Druckverfahren, das als Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet wird, bei dem ein Formkörper aus einem schmelzfähigen Kunststoff schichtweise aufgebaut wird. Zu diesem Zweck erfolgt zunächst eine Verflüssigung eines meist drahtförmig von einem Materialvorrat zugeführten Kunststoff- oder Wachsmaterials (Filament) durch Erwärmung sowie nachfolgend die Aufbringung des verflüssigten Materials durch
Extrudieren mittels einer Düse und abschließend eine
Erhärtung des Materials durch Abkühlung an der gewünschten Position der Arbeitsebene. Die Materialausbringung kann strangförmig oder punktförmig erfolgen.
Für das FDM-Verfahren können derzeit Formwachse und
Thermoplaste, wie z.B. Polyethylen, Polypropylen,
Polylactid, ABS, PETG und thermoplastische Elastomere eingesetzt werden.
Die Erwärmung und das Extrudieren des Filamentmaterials erfolgt in der Regel mittels eines Druckkopfes, welcher auch als „HotEnd" bezeichnet wird. Das Filament wird bei herkömmlichen FDM-Verfahren durch eine beheizte Kammer des Druckkopfes gefördert und dort aufgeschmolzen . Das
schmelzflüssige Material wird durch die Düse des
Druckkopfes mit definiertem Querschnitt gedrückt. Die
Einhaltung exakter Temperaturverhältnisse im Inneren des Druckkopfs ist hierbei von großer Wichtigkeit. So muss an dem der Extrusionsdüse zugewandten Ende der beheizten
Kammer die Temperatur hoch genug sein, um das
Filamentmaterial in den schmelzflüssigen Zustand zu
überführen. Über die Extrusionsdüse, die mit der Kammer fest verbunden bzw. verschraubt ist, gelangt die Schmelze ins Freie und wird auf einer Bauplattform abgelegt. An der Materialeintrittsseite der beheizten Kammer hingegen darf die Temperatur nicht zu hoch sein, da hier das noch feste Filament nachgeschoben wird. Erst das Nachschieben von Filament am Kammereingang führt zum Herausdrücken von aufgeschmolzenem Material an der Extrusionsdüse. Ist die Temperatur am Kammereingang zu hoch, erweicht das Filament und aufgrund der fehlenden Festigkeit kann es nicht nachgeschoben werden. Ein 3D-Druck nach dem FDM Verfahren kann auch versagen, wenn die Temperatur am Düsenende zu niedrig ist und das Material unzureichend aufgeschmolzen ist. Die Düse ist dann durch nicht aufgeschmolzenes
Material blockiert. Dies ist gerade bei höheren
Materialdurchsätzen ein häufiges Problem.
Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, einen Extrusionskopf, insbesondere Druckkopf für einen 3D- Drucker, dahingehend weiterzubilden, dass die Einhaltung vordefinierter Temperaturverhältnisse im Extrusions köpf vereinfacht werden und eine Anpassung der einzuhaltenden Temperaturverhältnisse an wechselndes Filamentmaterial ermöglicht werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art in Wesentlichen vor, dass die Heizeinrichtung als induktive Heizung ausgebildet ist, welche einen die Extrusionsdüse umgebenden Induktor umfasst, wobei die Extrusionsdüse zumindest teilweise aus einem induktiv erwärmbaren Material besteht.
Dadurch, dass das Aufschmelzen des Materials mit Hilfe einer induktiven Heizung erfolgt, wird die Regelung der Heizleistung wesentlich vereinfacht, wobei das Aufschmelzen direkt in der Extrusionsdüse erfolgt, sodass auf eine gesonderte, der Extrusionsdüse vorgeordnete Heizzone oder Heizkammer verzichtet werden kann, sodass die mit der vorgeordneten Heizzone bzw. -kammer verbundenen Probleme entfallen. Ein weiterer Vorteil der induktiven Beheizung liegt in der berührungslosen Energieübertragung vom
Induktor auf das induktiv erwärmbare Material der Extrusionsdüse, sodass der Düsenkörper, wenn dieser nicht vollständig aus dem induktiv erwärmbaren Material besteht, zur mechanischen Fixierung, zur thermischen Isolation bzw. zur Wärmeableitung genutzt werden kann.
Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann hierbei bevorzugt vorgesehen sein, dass die Extrusionsdüse für eine
thermische und ggf. elektrische Isolation in einem diese umgebenden Isolationskörper gehalten ist, der vorzugsweise aus einem keramischen Material besteht.
Der Isolationskörper kann einen ringförmigen Querschnitt auf eisen und ggf. mit axialen Durchbrechungen versehen sein, um die für eine Wärmeableitung zur Verfügung stehende Oberfläche zu vergrößern, die mitunter auch durch
geförderte Luft zwangsangeströmt wird. Darüber hinaus ist durch ebendiese Durchbrechungen die Zuführung von Kühlluft an die im 3D Druck relevanten Stellen, vorrangig an die Druckspitze, ermöglicht.
In bevorzugter Weise ist der Induktor, wie z.B. wenigstens eine Induktionsspule, im oder am Isolationskörper
angeordnet. Die Induktionsspule kann jedoch auch vom
Isolationskörper getrennt an einem anderen Bauteil
befestigt sein. Die wenigstens eine Induktionsspule kann vorzugswiese den Isolationskörper umgebend angeordnet, insbesondere um diesen gewickelt sein. Der Induktor kann auch eine Mehrzahl von Spulenelementen umfassen, die z.B. mit Hilfe eines 3D-Druckverfahrens in den Isolationskörper eingebettet oder auf diesem aufgebracht sind. Dies ist insbesondere für den Fall vorteilhaft, dass der bevorzugt aus einem keramischen Material bestehende Isolationskörper durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt ist. Durch das generative Fertigungsverfahren ist darüber hinaus auch möglich, die Durchbrechungen als gezielt angelegte Kühlkanäle zu konzipieren.
Für die Zuführung des Filaments zu der Extrusionsdüse ist gemäß einer bevorzugten Ausbildung ein Materialzuführkörper vorgesehen, der einen mit dem Extrusionskanal der
Extrusionsdüse fluchtenden Zuführkanal aufweist. Der
Materialzuführkörper ist hierbei nicht direkt beheizt. Der Zuführkanal dient nicht der Extrusion, sondern lediglich der Zuführung des Filaments zur Extrusionsdüse, sodass der Zuführkanal bevorzugt zylindrisch ausgebildet sein kann.
Der Extrusionskanal der Extrusionsdüse hingegen ist
vorzugsweise mit einem sich in Materialaustrittsrichtung verringernden Querschnitt ausgebildet. Der Extrusionskanal kann beispielsweise sich konisch verjüngend ausgebildet sein, wobei bevorzugt eine stetige Querschnittsverengung vorgesehen ist.
Aus unterschiedlichen Filamentmaterialien ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die Extrusionsdüse, insbesondere an die Geometrie des Extrusionskanals und an die Einstellung der Temperaturverhältnisse in der
Extrusionsdüse. Filamentmaterialien unterscheiden sich insbesondere in ihrem Schmelzverhalten. Die Extrusionsdüse ist daher bevorzugt an das jeweilige Extrusionsmaterial angepasst. Der dem Material innewohnende
Wärmeleitkoeffizient bestimmt, bis zu welchem Ausmaß die Temperatur von der erhitzten inneren Flanke der
Extrusionsdüse weitergegeben werden darf. Die Geometrie soll speziell auf die Materialeigenschaften des zur
Verarbeitung bestimmten Extrusionsmaterials abgestimmt sein. Dadurch wird der Extrusionsprozess maßgeblich verbessert. Die Verarbeitung wird deutlich kraftärmer, sodass z.B. die Kraft für den Vorschub des
Extrusionsmaterials abnimmt und die in das System
eingebrachte Energie reduziert werden kann. Durch die geringe Dauer der Verarbeitung wird der Abbau der
Polymerketten reduziert und insgesamt ein hochwertigeres Material extrudiert.
Eine einfache Anpassung der Extrusionsdüse an das jeweilige Extrusionsmaterial gelingt gemäß einer bevorzugten
Ausbildung dadurch, dass die Extrusionsdüse lösbar mit dem Materialzuführkörper verbunden ist, wobei die
Extrusionsdüse entweder unmittelbar oder unter Vermittlung eines weiteren Bauteils, wie insbesondere des
Isolationskörpers, mit dem Materialzuführkörper verbunden ist. Dadurch kann eine Mehrzahl von Extrusionsdüsen mit unterschiedlichen Eigenschaften, z.B. mit unterschiedlicher Geometrie des Extrusionskanals, vorrätig gehalten werden und bei einem Materialwechsel kann auch die Extrusionsdüse ausgetauscht werden. Die lösbare Verbindung der
Extrusionsdüse erfolgt bevorzugt mit Hilfe einer
Gewindeverbindung. Die Extrusionsdüse kann hierbei direkt an den Materialzuführkörper angeschraubt sein. Alternativ kann eine indirekte Verbindung der Extrusionsdüse mit dem Materialzuführkörper vorgesehen sein, wobei ein weiteres Bauteil, wie z.B. der Isolationskörper, vorgesehen ist, der mit dem Materialzuführkörper in Verbindung steht und mit dem die Extrusionsdüse lösbar verbunden ist.
Eine bevorzugte Möglichkeit, um die Geometrie und/oder die Beheizung und/oder die Gleiteigenschaften und/oder die Verschleißeigenschaften des Extrusionskanals zu
beeinflussen, liegt darin, dass die Kanalwand des Extrusionskanals der Extrusionsdüse von wenigstens einer Materialschicht aus einem vom Material des Düsenkörpers der Extrusionsdüse verschiedenen Material gebildet ist. Die Materialschicht ist dabei so angeordnet, dass sie mit dem durch den Extrusionskanal gedrückten Extrusionsmaterial in Berührung steht. Im Falle eines mehrschichtigen Aufbaus mit zwei oder mehreren Materialschichten ist vorgesehen, dass nur die innerste Schicht mit dem durch den Extrusionskanal gedrückten Extrusionsmaterial in Berührung steht.
Mit Vorteil ist die wenigstens eine Materialschicht als Hülse ausgebildet, welche in dem Düsenkörper aufgenommen ist und den Extrusionskanal begrenzt. Dadurch wird die Herstellung der Hülse in einem vom Düsenkörper gesonderten Herstellungsschritt ermöglicht, wobei der Düsenkörper z.B. als Körper mit einer gleichbleibenden Geometrie hergestellt wird und die Anpassung der Extrusionskanalgeometrie
lediglich durch die Ausgestaltung der Hülse erfolgt.
Alternativ kann die Materialschicht durch ein
Beschichtungsverfahren aufgebracht werden.
Alternativ kann die Hülse selbst als Extrusionsdüse
ausgebildet sein, d.h. ein Düsenkörper als Träger der Hülse kann entfallen. Die als Extrusionsdüse ausgebildete Hülse kann mehrschichtig aufgebaut sein.
Das Material der wenigstens einen Materialschicht kann in Abhängigkeit von der gewünschten Funktion ausgewählt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausbildung besteht die Materialschicht aus dem induktiv erwärmbaren Material, sodass die Wärmeenergie direkt an der Kanalwand des
Extrusionskanals entsteht. Alternativ kann der Düsenkörper aus dem induktiv erwärmbaren Material bestehen und eine Beschichtung besteht aus einem nicht induktiv erwärmbaren Material.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Materialschicht aus einem keramischen Material oder aus polykristallinem
Diamant besteht. Dadurch kgnn die Verschleißbeständigkeit des Extrusionskanals wesentlich erhöht werden.
Folgende Ausbildungen der Extrusionsdüse können voreilhaft sein :
Der Düsenkörper besteht aus einem induktiv erwärmbaren Material und weist an der Innenseite eine konische
Geometrie auf, in die eine Hülse mit einer für die
Filamentmaterialschmelze optimierten Geometrie des
Extrusionskanals eingesetzt ist.
Alternativ kann der Düsenkörper aus einem Material
bestehen, das nicht induktiv erwärmbar ist, aber eine auf die Kunststoffschmelze, insbesondere
Filamentmaterialschmelze, optimierte Geometrie an der
Innenseite bereithält, auf welcher eine Schicht eines induktiv erwärmbaren Materials angeordnet ist. Bevorzugt ist die Schicht des induktiv erwärmbaren Materials mittels eines Beschichtungsverfahrens aufgebracht.
Alternativ besteht der Düsenkörper aus einem induktiv erwärmbaren Material und stellt an der Innenseite eine auf die Filamentmaterialschmelze optimierte Geometrie zur
Verfügung, auf die mittels eines Beschichtungsverfahrens eine nicht induktiv erwärmbare Oberfläche aufgebracht ist. Alternativ wird die Kanalwand des Extrusionskanals von einer Hülse gebildet, die aus einem nicht induktiv
erwärmbaren Material besteht und an der Innenseite eine auf die Filamentmaterialschmelze optimierte Geometrie
bereitstellt . An der Außenseite wird bevorzugt mittels eines Beschichtungsverfahrens oder eines Tiefziehverfahrens eine induktiv erwärmbare Oberfläche aufgebracht.
Alternativ wird die Kanalwand des Extrusionskanals von einer Hülse gebildet, die aus einem nicht induktiv
erwärmbaren Material besteht und an der Innenseite eine auf die Filamentmaterialschmelze optimierte Geometrie
bereitstellt . An der Außenseite ist die Hülse konusförmig ausgebildet, wobei der Konus dazu genutzt wird, die Hülse mit einem Düsenkörper aus einem induktiv erwärmbaren
Material zu verbinden.
Die Erfindung betrifft gemäß einem weiteren Aspekt ein modulares System für das schichtweise Aufbringen von
Material zur generativen Fertigung eines Formkörpers, umfassend einen erfindungsgemäßen Extrusionskopf,
insbesondere Druckkopf, der eine auswechselbare erste
Extrusionsdüse aufweist, und weiters umfassend wenigstens eine zweite Extrusionsdüse, wobei die erste und die zweite Extrusionsdüse jeweils einen Extrusionskanal aufweisen, der einen sich in Austrittsrichtung des Materials verjüngenden Querschnitt aufweist, wobei der Extrusionskanal der ersten und der zweiten Extrusionsdüse eine voneinander
verschiedene Geometrie aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Formkörpers umfassend eine Bauplattform, wenigstens einen erfindungsgemäßen Extrusionskopf, insbesondere Druckkopf oder ein erfindungsgemäßes modulares System zum
schichtweisen Aufbringen von Material auf die Bauplattform oder den auf der Bauplattform zumindest teilweise
aufgebauten Formkörper, einen positionierbaren Träger für den wenigstens einen Extrusionskopf, ein Positioniersystem für den Träger und eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Material aus einem Materialvorrat zu dem wenigstens einen Extrusionskopf .
Vorzugsweise ist die Bauplattform starr oder lediglich höhenverstellbar ausgebildet und der bevorzugt in einem Träger auswechselbar aufgenommene Extrusionskopf,
insbesondere Druckkopf, ist mit Hilfe eines
Positioniersystems zweidimensional in einer Ebene oder dreidimensional im Raum positionierbar bzw. verfahrbar.
Beim Positioniersystem unterscheidet man zwischen einem kartesischen System und einem sog. "Delta"-System. Beim kartesischen Prinzip erfolgt die Positionierung des Trägers mit Hilfe von drei angetriebenen Linearachsen, die den dreidimensionalen Bauraum mit den Koordinatenachsen x, y und z aufspannen. Der Delta-Drucker nutzt das Prinzip der Parallelogramm-Kinematik und kann so programmiert werden, dass der den Druckkopf aufnehmende Träger verfahrbar ist. Eine dreidimensionale Positionierung wird hier durch das Verfahren von drei angetriebenen, ein Dreieck aufspannenden Achsen in vertikaler Richtung realisiert, welche den Träger halten .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine Außenansicht eines 3D-Druckers, Fig. 2 einen Grundriss des 3D-Druckers gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine erste Innenansicht des 3D-Druckers ,
Fig. 4 eine zweite Innenansicht des 3D-Drucker, Fig. 5 eine Ansicht gemäß Fig. 4 mit in den Druckraum eingebachtem Druckkopf, Fig. 6 einen erfindungsgemäßen Druckkopf in einer Schnittansicht, Fig. 7 die Extrusionsdüse des
Druckkopfs gemäß Fig. 6, Fig. 8 die Herstellung einer Hülse zur Ausbildung des Extrusionskanals einer Extrusionsdüse und Fig. 9 eine abgewandelte Ausbildung des Druckkopfs.
In Fig. 1 ist ein 3D-Drucker 1 dargestellt. Der 3D-Drucker weist ein Hauptgehäuse 2 auf, das an wenigstens einer
Seitenfläche mit einem Sichtfenster 3 versehen ist, welches einen Einblick in den Bauraum 4 des 3D-Druckers 1 freigibt. Im Bauraum 4 des 3D-Druckers 1 ist ein Träger 5 mithilfe eines Positionierungssystems dreidimensional positionierbar gehalten. Der Träger 5 trägt Druckköpfe 6, welche zum
Ausbringen eines Fertigungsmaterials ausgebildet sind.
Der 3D-Drucker 1 umfasst weiters ein seitlich am
Hauptgehäuse 2 angeordnetes Zusatzgehäuse 7, welches wenigstens einen, bevorzugt drei Aufnahme- bzw.
Einschubplätze für auswechselbare Einsätze aufweist.
Im Grundriss gemäß Fig. 2 ist ersichtlich, dass das
Hauptgehäuse 2 einen dreieckigen Grundriss aufweist, wobei das Zusatzgehäuse 7 seitlich des Hauptgehäuses 2 angeordnet ist und drei Aufnahme- bzw. Einschubplätze 15 für
auswechselbare Einsätze 16 aufweist. Der jeweilige
auswechselbar Einsatz 16 kann in Richtung des Pfeils 42 in den jeweiligen Aufnahme- bzw. Einschubplatz 15 eingesetzt bzw. eingeschoben werden. In der Innenansicht gemäß Fig. 3 ist nun das
Positionierungssystem für den Träger 5 näher dargestellt. Das Positionierungssystem umfasst drei vertikale Führungen, wie z.B. Führungsstangen 8, von denen in Fig. 3 zwei
Führungsstangen 8 ersichtlich sind. An den Führungsstangen
8 ist jeweils ein Schlitten 9 in vertikaler Richtung verfahrbar angeordnet, wobei der Fahrantrieb einen
schematisch angedeuteten Zahnriemen 10 umfasst, der jeweils von einem Schrittmotor 11 angetrieben wird. Der Träger 5 ist mithilfe von beidseitig gelenkig angebrachten
Haltestangen 12 an den Schlitten 9 befestigt. Die Schlitten
9 sind unabhängig voneinander in Richtung des Pfeils 13 verstellbar, wodurch eine dreidimensionale Positionierung des Trägers 5 im Bauraum 4 ermöglicht wird. Im Inneren des Bauraums 4 befindet sich eine Bauplattform 14, auf welcher der auszubildende Formkörper durch Materialausbringung aus den Druckköpfen 6 schichtweise aufgebaut wird.
In Fig. 3 ist weiters ersichtlich, dass das seitlich angebrachte Zusatzgehäuse 7 zwei Einschubplätze 15
aufweist, welche jeweils einen auswechselbaren Einsatz 16 aufnehmen. Die auswechselbaren Einsätze 16 sind zum Bauraum 4 hin offen, sodass der Träger 5 von den auswechselbaren Einsätzen 16 mit Druckköpfen beschickt werden kann. Die auswechselbaren Einsätze 16 weisen jeweils ein Gehäuse auf, wobei bei dem in Fig. 3 weiter hinten angeordneten
auswechselbaren Einsatz 16 eine hintere und eine vordere Gehäusewand 18 ersichtlich sind. Bei dem in Fig. 3 weiter vorne angeordneten auswechselbaren Einsatz 16 ist lediglich die hintere Gehäusewand 19 ersichtlich. Die vordere
Gehäusewand ist der Übersichtlichkeit halber nicht
gezeichnet, damit die in dem auswechselbaren Einsatz 16 aufgenommenen Komponenten besser ersichtlich sind. Zwischen den Gehäusen der auswechselbaren Einsätze 16 kann ggf. eine Trennwand 17 vorgesehen sein, welche die beiden
Einschubplätze 15 voneinander trennt.
Die auswechselbaren Einsätze 16 enthalten eine
Materialaufnahme in Form einer Materialrolle 20, welche ein spulenartig aufgewickeltes , strangförmiges Material
(Filament) aufweist. Der Materialrolle 20 ist eine
Vorschubeinrichtung 21 zugeordnet, welche ausgebildet ist, um das Filament von der Rolle 20 abzuziehen und dem
Druckkopf 6 zuzuführen. Der Druckkopf 6 ist in einer
Halteeinrichtung 22 gehalten, welche auf einem aus mehreren Segmenten bestehenden Arm 23 befestigt ist.
Fig. 4 zeigt denselben 3D-Drucker wie Fig. 3 in einer
Innenansicht, wobei eine von Fig. 3 verschiedene
Perspektive gezeigt ist.
Während der in der Halteeinrichtung 22 gehaltene Druckkopf 6 in Fig. 4 in einer Aufbewahrungsposition, d.h. im
auswechselbaren Einsatz 16 angeordnet ist, wurde dieser bei der Darstellung gemäß Fig. 5 in die in den Bauraum 4 vorragende Übergabeposition verlagert. Die Verlagerung erfolgt hierbei durch das Ausschwenken des Arms 23, an dem die Haltevorrichtung 22 befestigt ist. Die in Fig. 5 dargestellte Übergabeposition des Druckkopfs 6 ermöglicht eine Übergabe des Druckkopfs 6 von der Halteeinrichtung 22 in eine Druckkopfaufnähme des Trägers 5. Der Träger 5 kann zu diesem Zweck so an den in der Halteeinrichtung 22 gehaltenen Druckkopf 6 herangefahren werden, dass der
Druckkopf 6 in die Druckkopfaufnahme des Trägers 5
eingeführt wird. Die Halteeinrichtung 22 ist so
ausgebildet, dass sie auch in der Lage ist, einen in den Träger 5 aufgenommenen Druckkopf nach Beendigung der vorgesehenen Fertigungsschritte zu entnehmen und von der Übergabeposition wieder zurück in die in Fig. 4
dargestellte Aufbewahrungsposition zu bewegen.
In Fig. 6 ist ein Druckkopf 6 in einer Schnittansicht dargestellt, wobei der Druckkopf in einer Vorrichtung gemäß den Fig. 1-5 oder in einem anders aufgebauten 3D-Drucker zum Einsatz gelangen kann. Der Druckkopf umfasst einen Materialzuführkörper 24 mit einem Zuführkanal 25. Im unteren Bereich des Materialzuführkörpers 24 ist ein
Außengewinde ausgebildet, auf welches ein Isolationskörper 26 aufgeschraubt werden kann, welcher wiederum eine
Extrusionsdüse 27 trägt, welche einen Extrusionskanal 28 aufweist, der mit dem Zuführkanal 25 fluchtet. Den
Isolationskörper 26 umgebend ist eine Induktionsspule 29 vorgesehen, welche zur induktiven Erwärmung eines induktiv erwärmbaren Materials der Extrusionsdüse 27 ausgebildet ist. Die Extrusionsdüse 27 ist mittels einer
Schraubverbindung mit dem Isolationskörper 26 verbunden.
In Fig. 7 ist die Extrusionsdüse 27 des in Fig. 6
dargestellten Druckkopfes 6 näher ersichtlich. Die
Extrusionsdüse 27 umfasst einen Düsenkörper 35 und eine oder mehrere den Extrusionskanal 28 begrenzende
Materialschicht oder Materialschichten 30, welche z.B. als gesondert hergestellte Hülse ausgebildet sein kann oder mit Hilfe eines Beschichtungsverfahrens auf die Innenseite des Düsenkörpers aufgebracht wurde.
In Fig. 8 ist ein bevorzugtes Herstellungsverfahren zur Herstellung einer den Düsenkanal 28 begrenzenden Hülse dargestellt, wobei die Hülse aus drei Schichten 32, 33 und 34 besteht, die aus voneinander verschiedenen Materialien ausgebildet sind. Es wird ein temporärer Träger 31
bereitgestellt, der zuerst mit der Schicht 32 versehen wird. Danach wird die Schicht 33 über die Schicht 32 aufgebracht und abschließend die Schicht 34 über die
Schicht 33 aufgebracht. Nach dem Entfernen des Trägers 31 steht eine dreischichtige Hülse zur Verfügung, die in einem Düsenkörper aufgenommen werden kann. Der Träger 31 kann sowohl eine wiederverwendbare Form sein als auch eine im Herstellungsprozess zerstörbare Form.
Bei der Ausbildung gemäß Fig. 9 wird eine Hülse, wie z.B. die Hülse gemäß Fig. 8, unmittelbar als Extrusionsdüse verwendet. Die Extrusionsdüse 27 wird von dem
Isolationskörper 26 gehalten bzw. eingefasst, der
fingerartige Haltelemente 35 umfasst, die an dem verjüngten Vorderbereich der Extrusionsdüse 27 angreifen. Zwischen den fingerartigen Halteelementen 35 bleiben Öffnungen frei, über welche ein Hohlraum 36 des Isolationskörpers 26 mit der Umgebung in Verbindung steht. Der Isolationskörper 26 ist am Außenmantel des Materialzuführkörpers 24 gehalten.

Claims

Patentansprüche :
1. Extrusionskopf, insbesondere Druckkopf (6), für das schichtweise Äufbringen von Material zur generativen
Fertigung eines Formkörpers , umfassend eine Extrusionsdüse (27) mit einem Extrusionskanal (28) und eine
Heizeinrichtung für das Aufschmelzen des der Extrusionsdüse (27) zugeführten Polymermaterials, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung als induktive Heizung ausgebildet ist, welche einen die Extrusionsdüse (27) umgebenden
Induktor umfasst, wobei die Extrusionsdüse (27) zumindest teilweise aus einem induktiv erwärmbaren Material besteht.
2. Extrusionskopf nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Extrusionsdüse (27) für eine thermische und ggf. elektrische Isolation in einem diese umgebenden Isolationskörper (26) gehalten ist, der
vorzugsweise aus einem keramischen Material besteht.
3. Extrusionskopf nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der Isolationskörper (26) einen ringförmigen Querschnitt aufweist und ggf. axiale
Durchbrechungen aufweist.
4. Extrusionskopf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Induktor, wie z.B. wenigstens eine Induktionsspule (29), im oder am Isolationskörper (26) angeordnet ist.
5. Extrusionskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Materialzuführkörper (24) vorgesehen ist, der einen mit dem Extrusionskanal (28) der Extrusionsdüse (27) fluchtenden Zuführkanal (25) aufweist.
6. Extrusionskopf nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Extrusionsdüse (27) lösbar mit dem Materialzuführkörper (24) verbunden ist, wobei die
Extrusionsdüse (27) entweder unmittelbar oder unter
Vermittlung eines weiteren Bauteils, wie insbesondere des Isolationskörpers (26), mit dem Materialzuführkörper (24) verbunden ist.
7. Extrusionskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwand des
Extrusionskanals (28) der Extrusionsdüse (27) von
wenigstens einer Materialschicht aus einem von dem Material des Düsenkörpers der Extrusionsdüse (27) verschiedenen Material gebildet ist.
8. Extrusionskopf nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Materialschicht als Hülse ausgebildet ist, welche in dem Düsenkörper aufgenommen ist und den Extrusionskanal (28) begrenzt.
9. Extrusionskopf nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Materialschicht aus dem induktiv erwärmbaren Material besteht.
10. Extrusionskopf nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Materialschicht aus einem
keramischen Material oder aus polykristallinem Diamant besteht.
11. Extrusionskopf nach Anspruch 7, 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper aus einem induktiv erwärmbaren Material besteht.
12. Modulares System für das schichtweise Aufbringen von Material zur generativen Fertigung eines Formkörpers, umfassend einen Extrusionskopf, insbesondere Druckkopf (6), nach einem der Ansprüche 1 bis 11, der eine auswechselbare erste Extrusionsdüse (27) aufweist, und weiters umfassend wenigstens eine zweite Extrusionsdüse (27), wobei die erste und die zweite Extrusionsdüse (27) jeweils einen
Extrusionskanal (28) aufweisen, der einen sich in
Austrittsrichtung des Materials verjüngenden Querschnitt aufweist, wobei der Extrusionskanal (28) der ersten und der zweiten Extrusionsdüse (27) eine voneinander verschiedene Geometrie aufweist.
13. Vorrichtung zur generativen Fertigung eines
Formkörpers umfassend eine Bauplattform, wenigstens einen Extrusionskopf, insbesondere Druckkopf (6), nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder ein modulares System nach Anspruch 12 zum schichtweisen Aufbringen von Material auf die
Bauplattform oder den auf der Bauplattform zumindest teilweise aufgebauten Formkörper, einen positionierbaren Träger für den wenigstens einen Extrusionskopf, ein
Positioniersystem für den Träger und eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Material aus einem Materialvorrat zu dem wenigstens einen Extrusionskopf.
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