WO2022228863A1 - Additive fertigungsvorrichtung zur extrusionsbasierten herstellung eines formkörpers - Google Patents

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WO2022228863A1
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additive manufacturing
connecting channel
closure means
plasticizing
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Nevine TAGSCHERER
Andreas Reinhardt
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • B29C48/397—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders using a single screw
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    • B29C48/78—Thermal treatment of the extrusion moulding material or of preformed parts or layers, e.g. by heating or cooling
    • B29C48/80—Thermal treatment of the extrusion moulding material or of preformed parts or layers, e.g. by heating or cooling at the plasticising zone, e.g. by heating cylinders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/10—Pre-treatment

Definitions

  • the invention relates to an additive manufacturing method for the extrusion-based production of a molded body.
  • Extrusion processes are known from the prior art which provide plasticization of a building material in the form of granules.
  • the building material is then injected into a mold provided with a cavity, hardened and a molded body corresponding in shape to a negative image of the cavity is thus formed.
  • FDM fused deposition modeling
  • FFF fused filament fabrication
  • the disadvantage here is that when using strand-shaped starting material or building material in the form of a filament, the amount of building material exiting the nozzle per unit of time is limited.
  • the invention is based on the object of specifying a device which, in particular with regard to a simple and cost-effective measure, enables the construction process to be accelerated while at the same time achieving a high quality of the shaped body to be produced.
  • the object is achieved by an additive manufacturing device for the extrusion-based production of a shaped body starting from a building material in the form of granules and/or a powder according to claim 1.
  • the dependent claims relate to possible embodiments of the device.
  • the invention relates to an additive manufacturing device for the extrusion-based production of a molded body starting from a granulate and/or a building material present in powder, comprising a plasticizing device in which the powdery and/or granular starting building material can be plasticized or is plasticized.
  • a plasticizing device in which the powdery and/or granular starting building material can be plasticized or is plasticized.
  • a solid to viscous curable mass is pressed continuously under pressure from a shaping nozzle or an opening also referred to as an opening or die.
  • Building material strands (extrudate) can be placed on a building level. The fact that a present in the form of powder or granules building material is used as the starting material, the z. B.
  • a plasticizing device comprising a screw extruder
  • a high processing speed can be achieved or a high volume flow of plasticized building material can be provided at the opening of the pressure nozzle for depositing on the building level.
  • Significantly higher material deposition rates construction material volume per unit of time) can be achieved as a result than in a device structure using a construction material in a strand-like or filament-like initial form.
  • the powdery and/or granular or the powdery and/or granular building material is transferred to a predefined pressure range and a predefined temperature range by the plasticizing unit.
  • the building material is fed to a pressure nozzle provided with an outlet opening.
  • the plasticized building material is applied or deposited in a building plane, in particular in layers, selectively and depending on the area in order to form the shaped body.
  • the additive manufacturing device now has a first connecting channel, by means of which the building material can be guided or transferred at least temporarily from an outlet of the plasticizing device to the outlet opening of the pressure nozzle.
  • the additive manufacturing device has a further connection channel, by means of which building material can be or is guided, at least temporarily, to a receiving area, with this receiving area not corresponding to the outlet opening of the printing nozzle.
  • the additive manufacturing device provides two connection channels, with a first one depositing the building material for forming the shaped body via the outlet opening of the pressure nozzle at or on the building level and a further connection channel by means of which the building material does not go to the pressure nozzle, but to one of the Print nozzle removed arranged recording area feeds.
  • the first connecting channel can be referred to as the main channel and the at least one further connecting channel can be referred to as a bypass, since this bypasses the supply of building material to the printing nozzle.
  • the plasticizing device By providing the option of routing building material via the bypass or by providing the additional connection channel or the bypass, at least a minimum volume flow, in particular the entire volume flow, of building material can be routed at least temporarily via the bypass, so that despite not being deposited of building material via the pressure nozzle at or on the building level, the plasticizing device requires little or no adjustment of its control and/or operating parameters.
  • the plasticizing device can be operated in any (high) operating mode, regardless of the amount of building material deposited via the pressure nozzle, since the building material driven by the plasticizing device can escape via the further connecting channel or via the bypass.
  • the plasticizing device can be prevented from stopping or can continue to run despite the first connecting channel or main channel being closed or having a limited volume flow rate, so that any process fluctuations caused by start-up and delays can be reduced or prevented.
  • the at least one further connecting channel is arranged or formed downstream of the outlet of the plasticizing device, with building material being or being able to be led at least temporarily to a receiving area by means of the further connecting channel.
  • a layered structure can be understood to mean that after material has been applied or deposited in a building level, a building board and/or a printing device comprising the printing nozzle moves along a vertical axis or in the Z-direction relative to the building material previously applied, so that it there is a (parallel) displacement of the building level relative to the building material previously applied.
  • Building material is then applied again in the existing building level and a further layer is built up on top of the first layer. This process is analogous to the formation of a large number of layers, with the result that a shaped body constructed in layers is produced.
  • a closure means it is possible for a closure means to be arranged or formed in the first connection channel, the closure means being set up to change, in particular to regulate, a volume flow or a mass flow of the plasticized building material guided through the connection channel. If regulation and/or control is mentioned here, this always includes at least temporary or permanent control and/or regulation in the narrower sense.
  • the quantity of building material discharged or deposited via the pressure nozzle can be between a value of 0 and 100% of the maximum possible discharge quantity.
  • the closure means is preferably designed as a needle valve.
  • At least one closure means is designed as a needle valve, it can be designed or designed in such a way that it passes through any dead space in the area of the pressure nozzle and thus clears out any material that is “remaining” there.
  • a needle-shaped closure element is completely withdrawn, so that a free space can result in the region of the retracted closure means, in which building material is deposited.
  • the closure element can be moved in such a way that it passes through the depositing location of the building material and thus removes any building material deposited at this location, so that a cleaning or maintenance process in this regard can be omitted or has to be carried out less frequently.
  • first connecting channel for example, a first and in the at least one further connecting channel at least one further
  • Closing means can be arranged or formed, the degree of opening of the closing means being adjustable, in particular adjustable or controllable.
  • the further closure means can also be designed as a needle valve, for example.
  • the needle valve can comprise a needle-shaped valve piston provided with a thread. This can e.g. B. protrude temporarily into a small opening and thus regulate a precise regulation of the flow or the volumetric flow of the building material guided through this opening.
  • the at least one first valve means assigned to the main channel and the at least one further valve means assigned to the secondary channel or the further connecting channel are each designed as a needle valve.
  • At least one closure means in particular both closure means, can be arranged or formed, for example, close to the respective outlet location (e.g. outlet area or pressure nozzle).
  • the closure means arranged in the first connecting channel or in the main channel can thus be located close to the outlet opening of the pressure nozzle.
  • a further closure means arranged in the further connection channel or in the bypass can be located close to the outlet area of the further connection channel or close to the receiving area.
  • at least one closure means can be arranged in the vicinity or near the pressure nozzle and/or in the vicinity or near the receiving area.
  • the first closure means is preferably arranged in the vicinity of the pressure nozzle and the further closure means is arranged in the vicinity of the receiving area.
  • the at least one closure means is arranged in the vicinity of the outlets (i.e. e.g. pressure nozzle or outlet area of the further connection channel) of the building material from a pressure unit comprising at least one pressure nozzle.
  • a close arrangement of the closure means means that the closure means is arranged closer to the pressure nozzle or to the outlet area than at the outlet of the plasticizing device, in particular than at the outlet of a screw extruder.
  • the closure means is in the half facing the pressure nozzle or the outlet area, preferably a quarter, particularly preferably a sixth, most preferably a tenth, of the channel section from the outlet of the plasticizing device, in particular from the outlet of the screw extruder, to the outlet opening of the pressure nozzle or to the Outlet area of the other connecting channel arranged.
  • At least one closure means can also be arranged directly upstream of the pressure nozzle and/or directly upstream of the outlet area of the further connection channel. Due to the short distances of the building material that are achieved as a result, downstream of the closure means the proportion of the building material that cannot be controlled or can only be controlled to a limited extent in the process with regard to its movement can be kept small.
  • the degree of opening or the degree of the released passage opening of the at least two closure means can be regulated, for example, via a control unit, i. H. e.g. B. controllable and/or adjustable.
  • the regulation of the degree of opening of the at least one, in particular both, closure means by the control unit can, for example, take place continuously or steplessly.
  • The, in particular central, control unit can, for example, contain (a) control and/or regulation data from a robot controller and/or a heating device controller and/or a plasticizing device controller and/or (b) sensor data from a production device sensor system (e.g. temperature sensor, acceleration sensor, optical sensor, Servo motor data and / or position sensor data) are supplied.
  • a production device sensor system e.g. temperature sensor, acceleration sensor, optical sensor, Servo motor data and / or position sensor data
  • the data supplied to the control unit is evaluated, it being possible in particular for modified control and/or regulation information to be output on the basis of this data supplied.
  • the control data of a component of the plasticizing device designed as a screw extruder and the movement control data of a robot can be coordinated with one another in such a way that the screw extruder is deactivated if the pressure nozzle has to travel a longer distance without the help of the robot Laying down building material above the construction level or proceeding accordingly.
  • both closure means preferably via the
  • Control unit controlled are placed in a closed position or occupy a closed position.
  • a longer track can, for example, have at least a length that is longer than a tenth, preferably longer than a sixth, particularly preferably longer than a quarter, particularly preferably longer than a third, most preferably longer than half, of the maximum installation space length in the corresponding orientation is equivalent to.
  • the construction material used can consist, for example, at least partially of plastic; a construction material comprising plastic and fibers, in particular short fibers, is preferably used.
  • the building material can at least partially, preferably predominantly, be made of plastic.
  • a building material is used which consists of 15 to 40% by weight of a non-plastic fiber material and a polymer matrix.
  • carbon fibers (carbon), in particular short carbon fibers can be added to the extrusion process as a building material component added to a plastic granulate.
  • Fiber material can be used as the short fiber which has at least 50%, preferably at least 75%, particularly preferably at least 80%, most preferably at least 85%, a fiber length in the range from 30 to 300 micrometers.
  • shredded fiber residues are mixed in at least partially, preferably predominantly, particularly preferably completely, during and/or after granulation of the building material.
  • the building material used in the present method can, for example, at least as a component, in particular completely, comprise a thermoplastic which is preferably melted to a temperature in a range between 30° C. and 420° C., in particular 180° C. to 300° C.
  • the additive manufacturing device in particular the plasticizing device, can thus have suitable means, e.g. B. heating means, which make it possible to heat the thermoplastic material accordingly.
  • suitable means e.g. B. heating means, which make it possible to heat the thermoplastic material accordingly.
  • These means can be designed, for example, as a heating cartridge or as a heating jacket.
  • the following thermoplastics with the appropriate melt temperatures can preferably be used for use: Polyamide 6 (PA 6) with a melt temperature in the range of 240° C.
  • Polyamide 66 with a melting temperature in the range of 260 °C and 300 °C
  • polycarbonate with a melting temperature in the range of 270 °C and 320 °C
  • polymethyl methacrylate PMMA
  • Polypropylene PP
  • PE polyethylene
  • PE polystyrene
  • PS polystyrene-acrylonitrile copolymer
  • ABS acrylonitrile butadiene styrene copolymer
  • ABS acrylonitrile butadiene styrene copolymer
  • the receiving area into which the further connecting channel opens can, for example, comprise a building material collection reservoir in which the building material guided in the further connecting channel can be or is received.
  • part of the building material plasticized by the plasticizing device is fed to the pressure nozzle via the first connecting channel (main connecting channel) and another part of the plasticized building material is fed to the building material collection reservoir.
  • building material can be conveyed or guided simultaneously in the at least two connection channels, ie in the main connection channel and in at least one further connection channel.
  • the building material collection reservoir can be designed as a building material collection container that can be detachably connected to the additive manufacturing device, so that it can be removed from the additive manufacturing device, in particular temporarily, if necessary.
  • the state used as intended can be detected, for example, via a sensor on the production device side, and a corresponding state signal can be transmitted to a control device, for example.
  • the one downstream of the plasticizing device is further
  • Connection channel connected with its exit area to a feed section of the plasticizing device, so that the building material guided by the connecting channel can be fed or is fed to a plasticizing device-side plasticizing process for plasticizing the building material.
  • the building material not supplied to the main flow and thus removed via the further connecting channel can be fed back to the plasticizing device in order to be subjected to a plasticizing process again there.
  • the building material that is fed back to the plasticizing device can be added or mixed with the building material that is first or newly fed into the plasticizing process on the pastifying device side.
  • a granulation process carried out by means of a granulation device can precede the reinsertion of the building material, which is guided in the further connecting channel, into the plasticizing process.
  • the building material in the further connecting channel can first be shaped or processed into granules (e.g. shredded) and then fed to the plasticizing device, in particular before or after mixing with the building material fed to the plasticizing device for the first time.
  • a robot unit is set up to carry a pressure device comprising at least the pressure nozzle and to move this pressure device over the construction plane in order to selectively apply construction material to the construction plane depending on the region in order to form the shaped body.
  • the robot unit can be designed, for example, in the manner of an articulated robot.
  • a robot unit for moving the printing device comprising the printing nozzle can e.g. B. have a little dynamic behavior. It is thus possible that, due to a large number of imminent waypoints to be followed for a movement of the robot, these waypoints are imminent in terms of time and therefore only a short period of time can be “planned in advance”.
  • the plasticizing device and the building material moved by the plasticizing device are subject to a certain inertia in their operational control, which does not allow adequate coordination of this operating control of the plasticizing device, in particular the screw extruder of the plasticizing device, to the effect that, in the event of a delayed movement of the robot, correspondingly reduced discharge of material from the pressure nozzle due to the conveying function of the plasticizing device, in particular the screw extruder of the plasticizing device.
  • Even with an increase inertia in their operational control, which does not allow adequate coordination of this operating control of the plasticizing device, in particular the screw extruder of the plasticizing device, to the effect that, in the event of a delayed movement of the robot, correspondingly reduced discharge of material from the pressure nozzle due to the conveying function of the plasticizing device, in particular the screw extruder of the plasticizing device.
  • Building material delivery can be made possible from the pressure nozzle.
  • the closure means assigned to the main channel or the first connecting channel be able to react sufficiently quickly to a change in the travel speed of the pressure nozzle, which is moved in particular by a robot unit, with a change in the passage cross section of the closure means.
  • the further connection channel or the bypass is available, it can remove the building material reduced in the first connecting channel or in the main channel, resulting in a rapid reduction in the building material discharged through the pressure nozzle without a mandatory change in the building material conveying effect of the plasticizing device, in particular of the
  • Screw extruder of the plasticizing device is made possible.
  • the plasticizing device can, for example, comprise at least one means of conveyance and/or pressure generation designed as a screw, in particular as a screw extruder.
  • the plasticizing device can comprise at least one piston system, by means of which pressure is generated and/or a
  • the plasticizing device and/or a pressure device comprising at least one pressure nozzle can, for example, be provided with a heating means or comprise a heating means by means of which thermal energy can be transferred to a building material guided in the plasticizing device and/or in the pressure device.
  • the heating means can be designed to be controllable with regard to its heating output or heating intensity and/or with regard to a location of the respective heating outputs or heating intensities. This control can preferably be controlled by means of the control unit which, for example, controls at least one closing means of a connecting channel.
  • a branch can be formed in a channel section downstream of the outlet of the plasticizing device, at which branch the first and the at least one further connecting channel, ie for example the main channel and the bypass, branch off.
  • a plasticized building material supplied on the plasticizing device side is fed selectively or simultaneously to the first and at least one further connecting channel.
  • the branch can comprise a first through-opening assigned to the first connecting channel and a second through-opening assigned to the at least one further connecting channel, the first through-opening having a through-opening area which is greater than or equal to the through-opening area of the at least one second through-opening.
  • the passage area of the first passage opening is preferably at least 1.3 times, particularly preferably at least 1.7 times, most preferably at least 2.5 times, larger than the passage area of the at least one further passage opening.
  • a predetermined volume flow of building material for the respective connecting channels can be set in an operating mode in which the building material is guided through both connecting channels at the same time by a different design of the passage openings of the connecting channels taking place in this way. This setting can also be made possible, for example, if a closure means is arranged in only one of the two connection channels, in particular in the first connection channel or in the main connection channel leading to the printing nozzle.
  • the additive manufacturing device is set up for the extrusion of a building material in powder and/or granular form, with a method of the type of “Extrusion Additive Manufacturing” method (EAM) and/or “Fused Deposition Modeling” method (FDM) and/or “Fused Filament Fabrication” method (FFF) and/or “Fused Layer Modeling” method (FLM) is executed.
  • the respective method provides for an extruding processing of the building material in powder and/or granular form or the building material runs through a corresponding extrusion process step before it is selectively applied to the building level depending on the area in order to form the shaped body.
  • an initially powdered or granular building material is plasticized by means of the plasticizing device and fed to a pressure nozzle, the plasticized building material being deposited selectively area-dependently by means of the pressure nozzle on a building level to form the shaped body.
  • the construction material discharged from the pressure nozzle hardens and solidifies, so that a shaped body with a specific shape is produced.
  • the invention also relates to a method for additively manufacturing at least one molded body using an additive manufacturing device described herein.
  • a preferred embodiment of the method can include the simultaneous or alternating guidance or transport of building material through the first connecting channel to a pressure nozzle and through at least one further connecting channel to a receiving area.
  • the supply of plasticized building material to the outlet opening of the pressure nozzle is regulated by means of a first closing means and the supply of plasticized building material to a receiving area is regulated by means of a further closing means.
  • the supply of at least part of the building material is carried out to the receiving area via the further connection channel.
  • the supply of plasticized building material to the outlet opening of the pressure nozzle can be regulated by means of a closure means, in a state of a completely closed first closure means, the supply of building material to the receiving area can be carried out via the at least one further connection channel, in this case the further connecting channel itself can be an in particular adjustable
  • the plasticizing device in particular a screw extruder of a plasticizing device, preferably constant or with a defined
  • Minimum speed can continue to run, even if no building material is fed out or applied from the pressure nozzle.
  • abrupt stopping and restarting and the associated delay or inertia of the overall system is at least reduced because the plasticizing device entirely or at least to a minimum regarding their
  • the figure shows an additive manufacturing device 1 for the extrusion-based production of a molded body 25 starting from a building material 2 in the form of granules and/or a powder, comprising a plasticizing device 3 in which the powdery and/or granular building material 2 can be plasticized or is plasticized becomes.
  • the plasticizing device 3 comprises a container (see feed section 16) in which the granules are received and are fed to a screw extruder 24. Via a pressure nozzle 5 provided with an outlet opening 4 , the plasticized building material 2 is selectively applied to a building level 6 depending on the region in order to form the shaped body 25 .
  • the building material 2 is at least temporarily guided from an outlet 9 of the plasticizing device 3 to the outlet opening 4 of the pressure nozzle 5 via a first connecting channel 7 (main channel). Furthermore, a further connection channel 8 (bypass) is provided, by means of which at least temporarily or permanently building material 2 can be or is guided to a receiving area 10 which is not the
  • Outlet opening 4 of the pressure nozzle 5 corresponds.
  • the receiving area 10 can already be formed by an opening of a nozzle (not shown), which is located at the end of the further connecting channel 7 and dispenses or releases the building material 2 from a dosing device 18 comprising the pressure nozzle 9 and does not use the pressure nozzle 9 for assembly of the shaped body 25 itself forms.
  • this nozzle or the receiving area 10 can form a free space into which the building material 2 leads out of this nozzle, in particular at any point in a building space.
  • a (first) closure means 11 can be arranged or formed in the first connection channel 7, the closure means 11 being set up to (specifically) change or adjust a volume flow or a mass flow of the plasticized building material 2 guided through the connection channel 7.
  • This change in the volume or mass flow of the building material 2 guided through the first connecting channel 7 can include regulation, in particular open-loop or closed-loop control.
  • a first closure means 11 can be arranged or formed in the first connection channel 7 and at least one further closure means 12 can be arranged or formed in the at least one further connection channel 8 .
  • the degree of opening of the closure means 11, 12 can be or can be regulated.
  • the first and/or the at least one further closure means 11, 12 can be regulated, in particular controlled and/or regulated, in a stepped or continuously variable manner between a fully open and a fully closed operating position.
  • the first closure means 11 and/or the second closure means 12 can be designed as a needle valve, for example.
  • the degree of opening of the at least two closure means 11, 12 can be regulated, in particular controlled and/or regulated, via a control unit 13, for example.
  • control unit 13 is connected to the at least one locking means 11, 12 via a unidirectional or bidirectional data connection 27.
  • the use of two closure means 11, 12 can also lead to an avoidance of larger cross-sectional jumps within the duct sections carrying the building material 2, since the bypass enables continuous operation during a change in the quantity of the building material 2 discharged. This leads to low resistance and a more evenly working overall process.
  • the building material 2 used can consist, for example, at least partially of plastic.
  • a building material 2 comprising plastic and fibers is preferably used, with fibers being added to the plastic granulate and processed together to form the plasticized building material 2 in the course of the plasticizing process carried out on the plasticizing device.
  • a shaped body 25 reinforced by the integrated fibers can be formed.
  • short fibers can be used as fibers.
  • the receiving area 10 into or at which the further connecting channel 8 opens can, for example, comprise a building material collection reservoir 14 in which the building material 2 guided in the further connecting channel 8 can be or is received.
  • the at least one closure means 11, 12 can preferably be arranged in the vicinity or in the vicinity of the pressure nozzle 5 and/or in the vicinity or in the vicinity of the receiving area 10. Provision can also be made for the first closure means 11 to be arranged in the vicinity of the pressure nozzle 5 and for the further closure means 12 to be arranged in the vicinity of the receiving area 10 .
  • the closure means 11, 12 can be located in the edge area or near the outer boundary of the printing device 18 or the print head. The path of the building material from the closure means 11, 12 to the outlet of the printing device 18 or the print head can thus be kept short.
  • the further connecting channel 8 with its outlet area 15 located downstream of the plasticizing device 3 can be connected, for example, to a feed section 16 of the plasticizing device 3, so that the building material 2 guided by the connecting channel 8 can be fed or is fed to a plasticizing device-side plasticizing process for plasticizing the building material 2.
  • this is represented by the arrows 26, 26' representing a material flow.
  • This flow of material can take place, for example, through a channel-like connection through which the building material 2 is brought from the receiving area 10 to the feed section 16 of the plasticizing device 3;
  • the feed section 16 can, for example, also form the building material collection reservoir 14 as an outlet area 15 or receiving area 10 for the building material 2 guided in the further connecting channel 8 .
  • the building material collection reservoir 14 can be embodied as a building material collection container which is arranged detachably in the additive manufacturing device 1 and which is fed manually or automatically to the feed section 16 of the Spent in the plasticizing device 3 and emptied there or used in such a way that the building material 2 in it is fed or can be fed to the plasticizing device-side plasticizing process. Before the building material 2 that has passed through the further connection channel 8 or the bypass is returned, it can be powdered and/or granulated, so that this building material 2 can then be fed back to the plasticizing device 3 in the form of a powder and/or granules.
  • the additive manufacturing device 1 can comprise a robot unit 17 which is set up, a printing device comprising at least the pressure nozzle 5
  • the plasticizing device 3 can, for example, comprise at least one conveying and/or pressure generating means designed as a screw, in particular as a screw extruder 24 .
  • the plasticizing device 3 and/or a pressure device 18 comprising at least one pressure nozzle 5 can be provided with or comprise a heating means 19 .
  • the heating means 19 is shown by way of example as a heating means arranged in the printing device 18 .
  • the heating means can be configured as a heating jacket (not shown) arranged or configured in or on the pressure nozzle 5 and/or as a heating jacket (not shown) in or on the pressure device 18 and/or as a heating jacket in or on the plasticizing device 3 .
  • the heating jacket can circumferentially enclose an element of the additive manufacturing device 1 at least in sections, in particular completely.
  • a building material 2 guided in the plasticizing device 3 and/or in the pressure device 18 can be warmed up or heated up by means of the thermal energy emitted by the heating means 19 . It is advantageous if the heating means
  • the heating means 19 allows heating of the building material 2 guided in the first and/or in the second connecting channel 7, 8.
  • the heating means 19 can be controlled or regulated in such a way that the temperatures of the first and the further connecting channel 7, 8 can be changed in a targeted manner.
  • Heating means 19 are regulated via the control unit 13, in particular controlled or regulated.
  • the flow resistance of the building material 2 within the first connecting channel 11 or the main channel leading to the pressure nozzle 5 and the at least one further connecting channel 12 or the bypass on the basis of a targeted temperature control of the building material 2 guided in the respective connecting channels 7, 8 , so that the provision of a first and/or a further closure means 11, 12 can be dispensed with and/or in addition to an adjustment of the closure means 11, 12 at least partially provided in the connecting channels 7, 8, the flow rates can also be specifically influenced by the temperature control means 16 can be.
  • a branch 21 can be formed, for example, at which the first and the at least one further connecting channel 7, 8 branch off. It is possible here for the passage area of the channel section 20 to be equal to or greater than the sum of the passage areas of the first and the at least one further connecting channel 7 , 8 .
  • the branch 21 can comprise, for example, a first through-opening 22 assigned to the first connecting channel 7 and a second through-opening 23 assigned to the at least one further connecting channel 8, the first through-opening 22 having a through-opening area which is greater than or equal to the through-opening area of the at least one second through-opening 23 is.
  • the passage area of the first passage opening 22 is preferably at least a factor of 1.3, particularly preferably at least a factor of 1.7, most preferably at least a factor of 2.5, larger than the passage area of the at least one further passage opening 23 the specified values to minimum passage area values or average passage area mean values (e.g. arithmetic mean or median) of the respective connection channels 11, 12 - with the exception of a possible nozzle-like exit area.
  • the additive manufacturing device 1 can be operated, for example, in the manner of an extrusion additive manufacturing method (EAM) and/or fused deposition modeling method FDM and/or fused filament fabrication method FFF and/or fused layer modeling method FLM, with a powder and/or granular building material 2 is extruded within the additive manufacturing device 1 and then, in particular shortly before it is laid down, on the building level 6 to form the shaped body 25 on a building board 28 or on building material 2 already applied to the building board 28.
  • EAM extrusion additive manufacturing method
  • FDM fused deposition modeling method
  • FFF fused filament fabrication method
  • FLM fused layer modeling method
  • the invention also relates to a method for the additive manufacturing of at least one molded body 25 using an additive manufacturing device 1 described herein.
  • a first closure means 11 by means of a first closure means 11, the supply of plasticized building material 2 to the outlet opening 4 of the pressure nozzle 5 and by means A further closure means 12 regulates the supply of plasticized building material 2 to a receiving area 10 .
  • a further closure means 12 regulates the supply of plasticized building material 2 to a receiving area 10 . It is also possible that when the first closure means 11 is closed and a further closure means 12 is open, at least part of the building material 2, in particular the entire building material 2, is fed to the receiving area 10 via the further connection channel 8.
  • the control unit 13 can be used, for example, to control the at least two closure means 11, 12 of the connecting channels 7, 8; Furthermore, the control unit 13 can have (a) a unidirectional or bidirectional and/or (b) a wired or wireless data connection 27 to the robot unit 17 and/or to the plasticizing device 3, in particular to a screw extruder 24 of the plasticizing device 3, and/or to have at least one heating means 19.
  • the control unit 13 can be used to control and/or regulate the operation of the closure means 11, 12, the robot unit 17, the plasticizing device 3, in particular the screw extruder 24 of the plasticizing device 3 and/or the at least one heating means 18 are or are carried out.

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Abstract

Additive Fertigungsvorrichtung (1) zur extrusionsbasierten Herstellung eines Formkörpers (25) ausgehend von einem in Form eines Granulats und/oder eines Pulvers vorliegenden Baumaterial (2), umfassend - eine Plastifiziereinrichtung (3), in welcher das pulver- und/oder granulatartige Baumaterial (2) plastifizierbar ist bzw. plastifiziert wird, - eine mit einer Austrittsöffnung (4) versehene Druckdüse (5), vermittels der das plastifizierte Baumaterial (2) in eine Bauebene (6) selektiv bereichsabhängig zur Ausbildung des Formkörpers (25) aufbringbar ist bzw. aufgebracht wird, - einen ersten Verbindungskanal (7) vermittels dem zumindest temporär das Baumaterial (2) von einem Ausgang (9) der Plastifiziereinrichtung (3) zu der Austrittsöffnung (4) der Druckdüse (5) führbar ist bzw. geführt wird und - einen weiteren Verbindungskanal (8), vermittels dem zumindest temporär Baumaterial (2) zu einem Aufnahmebereich (10) führbar ist bzw. geführt wird, der nicht der Austrittsöffnung (4) der Druckdüse (5) entspricht.

Description

Additive Fertigungsvorrichtung zur extrusionsbasierten Herstellung eines
Formkörpers
Die Erfindung betrifft ein additives Fertigungsverfahren zur extrusionsbasierten Herstellung eines Formkörpers.
Aus dem Stand der Technik sind Extrusionsverfahren bekannt, die eine Plastifizierung eines in Form von Granulat vorliegenden Baumaterials vorsehen. Das Baumaterial wird anschließend in ein mit einer Kavität versehenes Formwerkzeug eingespritzt, ausgehärtet und damit ein in seiner Form einem Negativabbild der Kavität entsprechender Formkörper ausgebildet.
Ferner sind im Stand der Technik als Fused Deposition Modeling (FDM) oder als Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnete additive Fertigungsverfahren bekannt, welche die Verwendung eines strangförmigen Ausgangsmaterials als Baumaterial vorsehen, welcher einer beheizten Austrittsdüse zugeführt und durch die Austrittsdüse an bzw. auf einer Bauebene selektiv bereichsabhängig abgelegt wird.
Nachteilig ist es hierbei, dass bei der Verwendung von strangförmigen Ausgangsmaterial bzw. von Baumaterial in Form eines Filaments die aus der Düse austretende Menge an Baumaterial pro Zeiteinheit beschränkt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, welche insbesondere im Hinblick auf eine einfache und kostengünstige Maßnahme eine Beschleunigung des Aufbauprozesses bei einem gleichzeitigen Erreichen einer hohen Qualität des herzustellenden Formkörpers ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch eine additive Fertigungsvorrichtung zur extrusionsbasierten Herstellung eines Formkörpers ausgehend von einem in Form eines Granulats und/oder eines Pulvers vorliegenden Baumaterials gemäß Anspruch 1 gelöst. Die hierzu abhängigen Ansprüche betreffen mögliche Ausführungsformen der Vorrichtung.
Die Erfindung betrifft eine additive Fertigungsvorrichtung zur extrusionsbasierten Herstellung eines Formkörpers ausgehend von einem in Form eines Granulats und/oder eines Pulvers vorliegenden Baumaterial, umfassend eine Plastifiziereinrichtung, in welcher das pulver- und/oder granulatartige Ausgangsbaumaterial plastifizierbar ist bzw. plastifiziert wird. Als auf einer Extrusion basierend ist hierbei zu verstehen, dass eine feste bis dickflüssige härtbare Massen unter Druck kontinuierlich aus einer formgebenden Düse bzw. einer auch als Öffnung oder Matrize bezeichnete Öffnung herausgepresst wird. Hierbei können Baumaterialstränge (Extrudat) auf einer Bauebene abgelegt werden. Dadurch, dass als Ausgangsmaterial ein in Form von Pulver oder von Granulat vorliegendes Baumaterial verwendet wird, das eine z. B. einen Schneckenextruder umfassende Plastifiziereinrichtung durchläuft, kann eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit erreicht bzw. ein hoher Volumenstrom an plastifizierten Baumaterial an der Öffnung der Druckdüse zum Ablegen auf der Bauebene bereitgestellt werden. Hierdurch lassen sich signifikant höhere Materialablageraten (Baumaterialvolumen pro Zeiteinheit) erreichen als bei einem ein Baumaterial in strangförmiger bzw. filamentartiger Ausgangsform verwendenden Vorrichtungsaufbau.
Zur Plastifizierung wird das pulver- und/oder granulatartige bzw. das pulver- und/oder granulatförmige Baumaterial durch die Plastifiziereinheit einem vordefinierten Druckbereich und einem vordefinierten Temperaturbereich überführt. In dieser plastifizierten Form wird das Baumaterial einer mit einer Austrittsöffnung versehenen Druckdüse zugeführt. Vermittels dieser Druckdüse wird das plastifizierte Baumaterial in eine Bauebene, insbesondere schichtweise, selektiv und bereichsabhängig zur Ausbildung des Formkörpers aufgebracht bzw. abgelegt. Die additive Fertigungsvorrichtung weist nun einen ersten Verbindungskanal auf, vermittels dem zumindest temporär das Baumaterial von einem Ausgang der Plastifiziereinrichtung zu der Austrittsöffnung der Druckdüse führbar ist bzw. überführbar ist. Ferner weist die additive Fertigungsvorrichtung einen weiteren Verbindungskanal auf, vermittels dem zumindest temporär Baumaterial zu einem Aufnahmebereich führbar ist bzw. geführt wird, wobei dieser Aufnahmebereich nicht der Austrittsöffnung der Druckdüse entspricht. Mit anderen Worten sieht die additive Fertigungsvorrichtung zwei Verbindungskanäle vor, wobei ein erster das Baumaterial zur Ausbildung des Formkörpers über die Austrittsöffnung der Druckdüse an bzw. auf der Bauebene ablegt und einen weiteren Verbindungskanal vermittels dem das Baumaterial nicht zu der Druckdüse, sondern zu einem von der Druckdüse entfernt angeordneten Aufnahmebereich zuführt. Allgemein kann der erste Verbindungskanal als Hauptkanal und der wenigstens eine weitere Verbindungskanal als Bypass bezeichnet werden, da dieser die Zuführung des Baumaterials zur Druckdüse umgeht. In diesem Verständnis kann von einem Hauptstrom des Baumaterials über den ersten Verbindungskanal und einen Nebenstrom des Baumaterials über den wenigstens einen weiteren Verbindungskanal gesprochen werden.
Durch das Vorsehen der Möglichkeit des Führens von Baumaterial über den Nebenstrom bzw. durch das Vorsehen des weiteren Verbindungskanals bzw. des Bypasses, kann zumindest ein Mindestvolumenstrom, insbesondere der gesamte Volumenstrom, an Baumaterial zumindest temporär überden Bypass geführt werden, sodass trotz eines nicht erfolgenden Ablegens von Baumaterial über die Druckdüse an bzw. auf der Bauebene, die Plastifiziereinrichtung keine oder nur eine geringfügige Anpassung deren Steuerungs- und/oder Betriebsparameter erfordert. Mit anderen Worten kann unabhängig von der über die Druckdüse abgelegten Menge an Baumaterial die Plastifiziereinrichtung in einem beliebig(en) (hohen) Betriebsmodus gefahren werden, da das durch die Plastifiziereinrichtung angetriebene Baumaterial über den weiteren Verbindungskanal bzw. über den Bypass ausweichen kann. Mit anderen Worten kann trotz geschlossenem oder in seiner Volumenstromförderung begrenzten ersten Verbindungskanals bzw. Hauptkanals ein Abstoppen der Plastifiziereinrichtung verhindert werden, bzw. diese weiterlaufen, sodass etwaige anlauf- und verzögerungsbedingte Prozessschwankungen reduziert oder verhindert werden können. Beispielsweise ist der wenigstens eine weitere Verbindungskanal stromab des Ausgangs der Plastifiziereinrichtung angeordnet oder ausgebildet, wobei vermittels dem weiteren Verbindungskanals zumindest temporär Baumaterial zu einem Aufnahmebereich geführt wird oder führbar ist. Unter einem schichtweisen Aufbau kann verstanden werden, dass nachdem Material in einer Bauebene appliziert bzw. abgelegt wurde, eine Bauplatte und/oder eine, die Druckdüse umfassende Druckeinrichtung relativ zu dem bislang applizierten Baumaterial entlang einer Hochachse bzw. in Z-Richtung verfährt, sodass es zu einer (Parallel-)Verschiebung der Bauebene relativ zu dem bislang applizierten Baumaterial kommt. In dieser neuen Positionierung der Druckdüse in Z-Richtung wird in der dann vorliegenden Bauebene wieder Baumaterial appliziert und damit eine auf der ersten Schicht aufgebaute weitere Schicht aufgebaut. Dieser Prozess erfolgt analog zur Ausbildung einer Vielzahl an Schichten, sodass im Ergebnis ein schichtweise aufgebauter Formkörper hergestellt wird.
Es ist möglich, dass ein Verschlussmittel in dem ersten Verbindungskanal angeordnet oder ausgebildet ist, wobei das Verschlussmittel eingerichtet ist, einen Volumenstrom bzw. einen Massenstrom des durch den Verbindungskanal geführten plastifizierten Baumaterials zu verändern, insbesondere zu regeln. Sofern hierin von einer Regelung und/oder Steuerung gesprochen wird, umfasst diese stets eine zumindest temporäre oder eine permanente Steuerung und/oder Regelung im engeren Sinne. Durch eine entsprechende Ansteuerung des Verschlussmittels, kann die Menge an über die Druckdüse ausgegebenen bzw. abgelegten Baumaterials zwischen einem Wert von 0 und 100% der maximal möglichen Austrittsmenge betragen. Bevorzugt ist das Verschlussmittel als Nadelventil ausgebildet.
Sofern wenigstens ein Verschlussmittel als Nadelventil ausgebildet ist, kann dieses derart ausgebildet bzw. ausgelegt sein, dass es jeglichen Totraum im Bereich der Druckdüse durchfährt und damit etwaiges dort „verharrendes“ Material ausräumt. Mit anderen Worten ist während der Offenstellung des Verschlussmittels ein nadelförmiges Verschlusselement gänzlich zurückgezogen, sodass sich im Bereich des zurückgezogenen Verschlussmittels ein Freiraum ergeben kann, in welchem sich Baumaterial ablagert. Im Zuge der Auslegung des Verschlussmittels kann das Verschlusselement derart bewegt werden, dass dieses den Ablagerungsort des Baumaterials durchfährt und damit etwaiges an diesem Ort abgelagertes Baumaterial herausführt, sodass ein Reinigungs- bzw. Wartungsprozess diesbezüglich entfallen kann oder weniger häufig ausgeführt werden muss.
In dem ersten Verbindungskanal kann beispielsweise ein erstes und in dem wenigstens einen weiteren Verbindungskanal zumindest ein weiteres
Verschlussmittel angeordnet oder ausgebildet sein, wobei der Öffnungsgrad der Verschlussmittel regulierbar, insbesondere regelbar bzw. steuerbar, ist. Auch das weitere Verschlussmittel kann beispielsweise als Nadelventil ausgebildet sein. Dabei kann das Nadelventil einen mit einem Gewinde versehenen nadelförmigen Ventilkolben umfassen. Diese kann z. B. in eine kleine Öffnung temporär einragen und damit eine präzise Regulierung der Strömung bzw. des Volumenstroms des durch diese Öffnung hindurchgeführten Baumaterials regulieren. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das wenigstens eine dem Hauptkanal zugeordnete erste Ventilmittel und das dem Nebenkanal bzw. dem weiteren Verbindungskanal zugeordnete wenigstens eine weitere Ventilmittel jeweils als Nadelventil ausgebildet sind.
Wenigstens ein Verschlussmittel, insbesondere beide Verschlussmittel, kann bzw. können beispielsweise nahe an dem jeweiligen Austrittsort (z. B. Austrittsbereich bzw. Druckdüse) bzw. der angeordnet oder ausgebildet sein. Damit kann sich das in dem ersten Verbindungskanal bzw. in dem Hauptkanal angeordnete Verschlussmittel nahe an der Austrittsöffnung der Druckdüse befinden. Analog kann ein weiteres, in dem weiteren Verbindungskanal bzw. im Bybass, angeordnetes Verschlussmittel nahe an dem Austrittsbereich des weiteren Verbindungskanals bzw. nahe an dem Aufnahmebereich befinden. Mit anderen Worten kann wenigstens ein Verschlussmittel in der Nähe bzw. nahe der Druckdüse und/oder in der Nähe bzw. nahe des Aufnahmebereichs angeordnet sein. Bevorzugt ist das erste Verschlussmittel in der Nähe der Druckdüse und das weitere Verschlussmittel in der Nähe des Aufnahmebereichs angeordnet. Beispielsweise ist das wenigstens eine Verschlussmittel in der Nähe der Austritte (d. h. z. B. Druckdüse bzw. Austrittsbereich des weiteren Verbindungskanals) des Baumaterial aus einer wenigstens eine Druckdüse umfassenden Druckeinheit angeordnet.
Eine nahe Anordnung des Verschlussmittels meint hierbei, dass das Verschlussmittel näher an der Druckdüse bzw. an dem Austrittsbereich angeordnet ist als an dem Ausgang der Plastifiziereinrichtung, insbesondere als an dem Ausgang eines Schneckenextruders. Beispielsweise ist das Verschlussmittel in der zur Druckdüse bzw. zum Austrittsbereich zugewandten Hälfte, bevorzugt Viertel, besonders bevorzugt Sechstel, höchst bevorzugt Zehntel, der Kanalstrecke von dem Ausgang der Plastifiziereinrichtung, insbesondere von dem Ausgang des Schneckenextruders, zu dem Austrittsöffnung der Druckdüse bzw. zu dem Austrittsbereich des weiteren Verbindungskanals angeordnet. Auch kann wenigstens ein Verschlussmittel unmittelbar stromauf der Druckdüse und/oder unmittelbar stromauf des Austrittsbereichs des weiteren Verbindungskanals angeordnet sein. Durch die hierdurch erreichten kurzen Wege des Baumaterials stromab der Verschlussmittel kann der Anteil des hinsichtlich seiner Bewegung nicht oder nur eingeschränkt im Prozess kontrollierbaren Baumaterials kleingehalten werden.
Der Öffnungsgrad bzw. der Grad der freigegebenen Durchtrittsöffnung der wenigstens zwei Verschlussmittel kann beispielsweise über eine Steuereinheit regulierbar, d. h. z. B. Steuer- und/oder regelbar, sein. Die steuereinheitsseitige Regulierung des Öffnungsgrads des wenigstens einen, insbesondere beider, Verschlussmittel kann beispielsweise kontinuierlich bzw. stufenfrei erfolgen. Der, insbesondere zentralen, Steuereinheit können beispielsweise (a) Steuerungs- und/oder Regelungsdaten einer Robotersteuerung und/oder einer Heizeinrichtungssteuerung und/oder einer Plastifiziereinrichtungssteuerung und/oder (b) Sensordaten einer Fertigungsvorrichtungssensorik (z. B. Temperatursensor, Beschleunigungssensor, optischer Sensor, Servomotordaten und/oder Positionssenordaten) zugeführt werden. Beispielsweise erfolgt eine Auswertung der der Steuereinheit zugeführten Daten, wobei insbesondere basierend auf diesen zugeführten Daten modifizierte Steuerungs- und/oder Regelungsinformationen ausgegeben werden können. Durch das Zusammenführen der Daten in der Steuereinheit kann es beispielsweise ermöglicht werden, dass Steuerungsdaten eines als Schneckenextruder ausgebildeten Bestandteils der Plastifiziereinrichtung sowie die Verfahrsteuerungsdaten eines Roboters derart aufeinander abgestimmt werden, dass ein Deaktivieren der Schneckenextruder erfolgt, wenn die Druckdüse vermittels des Roboters einen längeren Fahrweg ohne Ablegen von Baumaterial über der Bauebene ausführt bzw. entsprechend verfahren wird. Während dieser Deaktivierung der Plastifiziereinrichtung, insbesondere während der Deaktivierung des Schneckenextruders, können beide Verschlussmittel, bevorzugt über die
Steuereinheit gesteuert, in eine Schließstellung verbracht werden oder eine Schließstellung einnehmen. Ein längerer Fahrweg kann beispielsweise mindestens eine Länge aufweisen, welche länger als ein Zehntel, bevorzugt länger als ein Sechstel, besonders bevorzugt länger als ein Viertel, besonders bevorzugt länger als ein Drittel, höchst bevorzugt länger als die Hälfte, der maximalen Bauraumlänge in der entsprechenden Ausrichtung entspricht.
Das verwendete Baumaterial kann beispielsweise zumindest teilweise aus Kunststoff bestehen, bevorzugt wird ein Kunststoff und Fasern, insbesondere Kurzfasern, umfassendes Baumaterial verwendet. Dabei kann das Baumaterial zumindest teilweise, bevorzugt überwiegend, aus Kunststoff gebildet sein. Beispielsweise wird ein Baumaterial eingesetzt, welches 15 bis 40 Gew.-% eines nicht aus Kunststoff bestehendes Fasermaterials und einer Polymermatrix besteht. Optional können Kohlenstoff-Fasern (Carbon), insbesondere Kohlstoff-Kurzfasern, als einem Kunststoffgranulat zugegebener Baumaterialbestandteil dem Extrusionsprozess zugegeben werden. Als Kurzfaser kann Fasermaterial eingesetzt werden, welches zu mindestens 50 %, bevorzugt zu mindestens 75 %, besonders bevorzugt zu mindestens 80 %, höchst bevorzugt zu mindestens 85 %, eine Faserlänge im Bereich von 30 bis 300 Mikrometern aufweist. Beispielsweise werden zumindest teilweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt vollständig, geschredderte Faserreste bei und/oder nach einer Granulierung des Baumaterials beigemischt.
Das in dem vorliegenden Verfahren verwendete Baumaterial kann beispielsweise zumindest als Bestandteil, insbesondere vollständig, einen thermoplastischen Kunststoff umfassen, welcher bevorzugt auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 30 °C und 420 °C, insbesondere 180 °C bis 300 °C, aufgeschmolzen wird. Damit kann die additive Fertigungsvorrichtung, insbesondere die Plastifiziereinrichtung, geeignete Mittel aufweisen, z. B. Heizmittel, welche es ermöglichen, den thermoplastischen Kunststoff entsprechend aufzuheizen. Diese Mittel können beispielsweise als Heizpatrone oder als Heizmantel ausgebildet sein. Zur Verwendung können bevorzugt die folgenden thermoplastische Kunststoffe mit den entsprechenden Schmelzetemperaturen eingesetzt werden: Polyamid 6 (PA 6) mit einer Schmelzetemperatur im Bereich von 240 °C und 290 °C; Polyamid 66 (PA 66) mit einer Schmelzetemperatur im Bereich von 260 °C und 300 °C; Polycarbonat (PC) mit einer Schmelzetemperatur im Bereich von 270 °C und 320 °C; Polymethylmethacrylat (PMMA)mit einer Schmelzetemperatur im Bereich von 200 °C und 290 °C; Polypropylen (PP) mit einer Schmelzetemperatur im Bereich von 200 °C und 300 °C; Polyethylen (PE) mit einer Schmelzetemperatur im Bereich von 180 °C und 300 °C; Polystyrol (PS) mit einer Schmelzetemperatur im Bereich von 180 °C und 280 °C; Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN) mit einer Schmelzetemperatur im Bereich von 200 °C und 260 °C; Acrylnitril-Butadien-Styrol- Copolymer (ABS) mit einer Schmelzetemperatur im Bereich von 200 °C und 300 °C; Acrylnitril- Styrol-Acrylat- Copolymer (ASA) mit einer Schmelzetemperatur im Bereich von 200 °C und 250 °C oder Polyoxymethylen (POM) mit einer Schmelzetemperatur im Bereich von 180 °C und 230 °C. Der Aufnahmebereich, in welchen der weitere Verbindungskanal mündet, kann beispielsweise ein Baumaterialsammelreservoir umfassen, in welchem das in dem weiteren Verbindungskanal geführte Baumaterial aufnehmbar ist bzw. aufgenommen wird. Damit wird ein Teil des von der Plastifiziereinrichtung plastifizierten Baumaterials über den ersten Verbindungskanal (Hauptverbindungskanal) der Druckdüse und ein weiterer Teil des plastifizierten Baumaterials dem Baumaterialsammelreservoir zugeführt. Folglich können in einem beispielhaften Betriebsmodus der Fertigungsvorrichtung in den wenigstens zwei Verbindungskanälen, d. h. in dem Hauptverbindungskanal und in wenigstens einem weiteren Verbindungskanal, gleichzeitig Baumaterial gefördert bzw. geführt werden. Beispielsweise kann das Baumaterialsammelreservoir als ein lösbar mit der additiven Fertigungsvorrichtung verbindbarer Baumaterialsammelbehälter ausgebildet sein, sodass dieser im Bedarfsfall aus der additiven Fertigungsvorrichtung, insbesondere temporär, entnommen werden kann. Der bestimmungsgemäß vorliegende eingesetzte Zustand kann beispielsweise über einen fertigungsvorrichtungsseitigen Sensor erfasst und beispielsweise ein entsprechendes Zustandssignal an eine Steuereinrichtung übertragen werden. Beispielsweise ist der stromab der Plastifiziereinrichtung gelegene weitere
Verbindungskanal (Bypass) mit seinem Austrittbereich mit einem Zuführabschnitt der Plastifiziereinrichtung verbunden, sodass das von dem Verbindungskanal geführte Baumaterial einem plastifiziereinrichtungsseitigen Plastifizierungsprozess zur Plastifizierung des Baumaterials zuführbar ist bzw. zugeführt wird. Mit anderen Worten kann das dem Hauptstrom nicht zugeführte und damit über den weiteren Verbindungskanal (Nebenstrom bzw. Bypass) abgeführte Baumaterial der Plastifiziereinrichtung wieder zugeführt werden, um dort erneut einem Plastifizierungsprozess unterzogen zu werden. Das wieder der Plastifiziereinrichtung zugeführte Baumaterial kann dabei mit dem erstmal bzw. neu dem pastifizierungseinrichtungsseitigen Plastifizierungsprozess zugeführten Baumaterial zugefügt oder beigemischt werden. Beispielsweise kann ein vermittels einer Granulierungseinrichtung ausgeführter Granulierungsprozess dem Wiederzuführung des in dem weiteren Verbindungskanal geführten Baumaterials in den Plastifizierungsprozess vorgeschaltet sein. Damit kann zunächst das in dem weiteren Verbindungskanal geführte Baumaterial in Granulat geformt bzw. verarbeitet (z. B. geschreddert) und danach der Plastifiziereinrichtung, insbesondere vor oder nach einer Vermischung mit erstmals der Plastifiziereinrichtung zugeführten Baumaterial, zugeführt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass eine Robotereinheit eingerichtet ist, eine, zumindest die Druckdüse umfassende, Druckeinrichtung zu tragen und diese Druckeinrichtung derart über die Bauebene zu bewegen, um selektiv bereichsabhängig Baumaterial auf die Bauebene zur Ausbildung des Formkörpers aufzubringen. Durch die Verlagerung der wenigstens einen, eine Druckdüse umfassenden Druckeinrichtung über eine Bauebene kann die Größe des Bauraums bzw. die maximal möglichen Abmessungen des vermittels der Druckeinrichtung aufgebauten Formkörpers erweitert werden. Die Robotereinheit kann beispielsweise nach Art eines Knickroboters ausgebildet sein. Eine Robotereinheit zur Bewegung der die Druckdüse umfassenden Druckeinrichtung kann z. B. ein wenig dynamisches Verhalten aufweisen. So ist es möglich, dass aufgrund einer Vielzahl bevorstehender abzufahrender Wegpunkte für eine Bewegung des Roboters diese Wegpunkte zeitlich gedrängt bevorstehen und damit ein nur kurzer Zeitraum „vorausgeplant“ werden kann. Hierbei ist zu beachten, dass die Plastifiziereinrichtung und die durch die Plastifiziereinrichtung bewegte Baumaterial einer gewissen Trägheit in deren Betriebsansteuerung unterliegt, welche keine adäquate Abstimmung dieser Betriebsregelung der Plastifiziereinrichtung, insbesondere der Schneckenextruder der Plastifiziereinrichtung, dahingehend erlaubt, dass diese bei einer verzögerten Bewegung des Roboters eine entsprechend reduzierten Materialaustrag aus der Druckdüse aufgrund der Förderfunktion der Plastifiziereinrichtung, insbesondere der Schneckenextruder der Plastifiziereinrichtung, ermöglicht. Auch bei einer Erhöhung der
Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters und damit der Erhöhung der Bewegung der Druckdüse über der Bauebene kann meist keine derart flinke Erhöhung der Förderwirkung der Plastifiziereinrichtung, insbesondere eines Schneckenextruders der Plastifiziereinrichtung, erfolgen. Jedoch kann durch eine gezielte Ansteuerung der Verschlussmittel im Zusammenhang mit dem vorgehaltenen weiteren Verbindungskanal bzw. dem Bypass eine adäquate Regulierung der
Baumaterialabgabe aus der Druckdüse ermöglicht werden. So kann über das dem Hauptkanal bzw. dem ersten Verbindungskanal zugeordnete Verschlussmittel hinreichend schnell auf eine Veränderung der Verfahrgeschwindigkeit der, insbesondere über eine Robotereinheit bewegten, Druckdüse mit einer Veränderung des Durchlassquerschnitts des Verschlussmittels reagiert werden. Dadurch dass der weitere Verbindungskanal bzw. der Bypass vorgehalten wird, kann dieser die im ersten Verbindungskanal bzw. im Hauptkanal reduzierte Baumaterial Menge abführen, wodurch eine rasche Verringerung des durch die Druckdüse ausgegebenen Baumaterials ohne eine zwingende Veränderung der Baumaterialförderwirkung der Plastifiziereinrichtung, insbesondere des
Schneckenextruders der Plastifiziereinrichtung, ermöglicht wird.
Die Plastifiziereinrichtung kann beispielsweise wenigstens ein als Schnecke, insbesondere ein als Schneckenextruder, ausgebildetes Förder- und/oder Druckerzeugungsmittel umfassen. Zusätzlich oder alternativ zu einer Schnecke oder zu einem Schneckenextruder kann die Plastifiziereinrichtung wenigstens ein Kolbensystem umfassen, vermittels dem eine Druckerzeugung und/oder eine
Drucksteuerung und/oder eine Plastifizierung des zu plastifizierenden pulver- und/oder granulatartigen Baumaterials und/oder des plastifizierten Baumaterials ausführbar ist. Die Plastifiziereinrichtung und/oder eine zumindest eine Druckdüse umfassende Druckeinrichtung kann beispielsweise mit einem Heizmittel versehen sein bzw. ein Heizmittel umfassen, vermittels dem thermische Energie an ein in der Plastifiziereinrichtung und/oder in der Druckeinrichtung geführtes Baumaterial übertragbar ist. Das Heizmittel kann bzgl. seiner Heizleistung bzw. Heizintensität und/oder bzgl. eines Orts der jeweiligen Heizleistungen bzw. Heizintensitäten steuerbar ausgebildet sein. Diese Steuerung kann vorzugsweise vermittels der Steuereinheit, welche beispielsweise zumindest ein Verschlussmittel eines Verbindungskanals steuert, gesteuert werden. Es ist möglich, dass in einem Kanalabschnitt stromab des Ausgangs der Plastifiziereinrichtung ein Abzweig ausgebildet ist, an welchem der erste und der wenigstens eine weitere Verbindungskanal, d. h. z. B. der Hauptkanal und der Bypass, abzweigen. Mit anderen Worten wird an dieser Y-Verbindung ein plastifiziereinrichtungsseitig zugeführtes plastifiziertes Baumaterial wahlweise oder gleichzeitig dem ersten und wenigstens einen weiteren Verbindungskanal zugeführt. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann beispielsweise der Abzweig eine erste, dem ersten Verbindungskanal zugeordnete Durchtrittsöffnung und eine zweite, dem wenigstens einen weiteren Verbindungskanal zugeordnete Durchtrittsöffnung umfassen, wobei die erste Durchtrittsöffnung eine Durchtrittsfläche aufweist, welche größer oder gleich der Durchtrittsfläche der wenigstens einen zweiten Durchtrittsöffnung ist, bevorzugt ist die Durchtrittsfläche der ersten Durchtrittsöffnung mindestens um den Faktor 1,3, besonders bevorzugt mindestens um den Faktor 1,7, höchst bevorzugt mindestens um den Faktor 2,5, größer als die Durchtrittsfläche der wenigstens einen weiteren Durchtrittsöffnung. Durch eine in dieser Weise erfolgende unterschiedliche Auslegung der Durchtrittsöffnungen der Verbindungskanäle kann in einem Betriebsmodus, in welchem das Baumaterial durch beide Verbindungskanäle gleichzeitig geführt wird, ein vorbestimmter Volumenstrom an Baumaterial für die jeweiligen Verbindungskanäle eingestellt werden. Diese Einstellung kann beispielsweise auch dann ermöglicht werden, wenn nur in einem der beiden Verbindungskanäle, insbesondere in dem ersten Verbindungskanal bzw. in dem zur Druckdüse führenden Hauptverbindungskanal, ein Verschlussmittel angeordnet ist.
Die additive Fertigungsvorrichtung ist zur Extrusion eines pulver- und/oder granulatförmigen Baumaterials eingerichtet, wobei ein Verfahren nach Art eines „Extrusion Additive Manufacutring“ Verfahrens (EAM) und/oder „Fused Deposition Modeling“-Verfahrens (FDM) und/oder „Fused Filament Fabrication“ Verfahrens (FFF) und/oder „Fused Layer Modeling“ Verfahrens (FLM) ausgeführt wird. Das jeweilige Verfahren sieht hierbei eine extrudierende Verarbeitung des pulver- und/oder granulatförmigen Baumaterials vor bzw. das Baumaterial durchläuft einen entsprechenden Extrusionsprozessschritt, bevor es selektiv bereichsabhängig auf der Bauebene zur Ausbildung des Formkörpers aufgebracht wird. Hierbei wird ein zunächst pulver- oder granulatförmiges Baumaterial vermittels der Plastifiziereinrichtung plastifiziert und einer Druckdüse zugeführt, wobei vermittels der Druckdüse das plastifizierte Baumaterial selektiv bereichsabhängig auf einer Bauebene zur Ausbildung des Formkörpers abgelegt wird. Im Bereich der Bauebene härtet dabei das aus der Druckdüse ausgegebene Baumaterial aus und erstarrt, sodass ein in seiner Form bestimmt vorliegender Formkörper erzeugt wird. Neben der additiven Fertigungsvorrichtung betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur additiven Herstellung wenigstens eines Formkörpers unter Verwendung einer hierin beschriebenen additiven Fertigungsvorrichtung. Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens kann hierbei die gleichzeitige oder wechselweise Führung bzw. den Transport von Baumaterial durch den ersten Verbindungskanal zu einer Druckdüse und durch wenigstens einen weiteren Verbindungskanal zu einem Aufnahmebereich umfassen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass vermittels eines ersten Verschlussmittels die Zuführung von plastifizierten Baumaterial zur Austrittsöffnung der Druckdüse und vermittels eines weiteren Verschlussmittels die Zuführung von plastifizierten Baumaterial zu einem Aufnahmebereich reguliert wird. Bevorzugt wird im Zustand eines zumindest teilweise, insbesondere vollständig, geschlossenen ersten Verschlussmittels und eines zumindest teilweise, insbesondere vollständig, geöffneten weiteren Verschlussmittels die Zuführung von wenigstens einem Teil des Baumaterials, bevorzugt die Zuführung des gesamten Baumaterials, zum Aufnahmebereich über den weiteren Verbindungskanal ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass wenn vermittels einem Verschlussmittels die Zuführung von plastifizierten Baumaterial zur Austrittsöffnung der Druckdüse regelbar ist, in einem Zustand eines gänzlich geschlossenen ersten Verschlussmittels die Zuführung von Baumaterial zum Aufnahmebereich über den wenigstens einen weiteren Verbindungskanal ausgeführt werden kann, hierbei kann der weitere Verbindungskanal selbst ein, insbesondere regulierbares,
Verschlussmittel umfassen oder ohne Verschlussmittel versehen sein, sodass dieser stets zur Durchleitung von Baumaterial zur Verfügung steht. Unabhängig davon, ob der weitere Verbindungskanal ein Verschlussmittel aufweist, kann der Vorteil erreicht werden, dass die Plastifiziereinrichtung, insbesondere ein Schneckenextruder einer Plastifiziereinrichtung, bevorzugt konstant oder mit einer definierten
Mindestgeschwindigkeit, weiterlaufen kann, selbst dann, wenn kein Baumaterial aus der Druckdüse herausgeführt bzw. appliziert wird. Insbesondere wird ein abruptes Stoppen und Wiederanläufen und die hiermit verbundenen Verzögerung bzw. die Trägheit des Gesamtsystems zumindest reduziert, da die Plastifiziereinrichtung gänzlich oder zumindest auf einem Mindestmaß bzgl. deren
Baumaterialförderfunktion weiterlaufen kann.
Sämtliche Vorteile, Einzelheiten, Ausführungen und/oder Merkmale des erfindungsgemäßen additiven Fertigungsvorrichtung sind auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragbar bzw. anzuwenden.
Die Erfindung ist beispielhaft in der Zeichnung näher erläutert, diese zeigt eine Prinzipdarstellung einer additiven Fertigungsvorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels.
Die Figur zeigt eine additive Fertigungsvorrichtung 1 zur extrusionsbasierten Herstellung eines Formkörpers 25 ausgehend von einem in Form eines Granulats und/oder eines Pulvers vorliegenden Baumaterial 2, umfassend eine Plastifiziereinrichtung 3, in welcher das pulver- und/oder granulatartige Baumaterial 2 plastifizierbar ist bzw. plastifiziert wird. Die Plastifiziereinrichtung 3 umfasst hierbei einen Behälter (s. Zuführabschnitt 16) in welchem das Granulat aufgenommen ist und zu einem Schneckenextruder 24 geführt wird. Über eine mit einer Austrittsöffnung 4 versehene Druckdüse 5 wird das plastifizierte Baumaterial 2 in eine Bauebene 6 selektiv bereichsabhängig zur Ausbildung des Formkörpers 25 aufgebracht. Über einen ersten Verbindungskanal 7 (Hauptkanal) wird zumindest temporär das Baumaterial 2 von einem Ausgang 9 der Plastifiziereinrichtung 3 zu der Austrittsöffnung 4 der Druckdüse 5 geführt. Ferner ist ein weiterer Verbindungskanal 8 (Bypass) vorgesehen, vermittels dem zumindest temporär oder stets Baumaterial 2 zu einem Aufnahmebereich 10 führbar ist bzw. geführt wird, der nicht der
Austrittsöffnung 4 der Druckdüse 5 entspricht. Der Aufnahmebereich 10 kann bereits durch eine Öffnung einer Düse (nicht dargestellt) ausgebildet sein, welche sich am Ende des weiteren Verbindungskanal 7 befindet und das Baumaterial 2 aus einer die Druckdüse 9 umfassenden Dosiereinrichtung 18 ausgibt bzw. freigibt und hierbei nicht die Druckdüse 9 zum Aufbau des Formkörpers 25 selbst ausbildet.
Beispielsweise kann diese Düse bzw. der Aufnahmebereich 10 einen Freiraum bilden, in welchen das Baumaterial 2 aus dieser Düse, insbesondere an einer beliebig Stelle eines Bauraums, herausführt. In dem ersten Verbindungskanal 7 kann ein (erstes) Verschlussmittel 11 angeordnet oder ausgebildet sein, wobei das Verschlussmittel 11 eingerichtet ist, einen Volumenstrom bzw. einen Massenstrom des durch den Verbindungskanal 7 geführten plastifizierten Baumaterials 2 (gezielt) zu verändern bzw. einzustellen. Diese Veränderung des Volumen- bzw. Massenstroms des durch den ersten Verbindungskanal 7 geführten Baumaterials 2 kann eine Regulierung, insbesondere eine Steuerung bzw. eine Regelung umfassen.
In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform kann in dem ersten Verbindungskanal 7 ein erstes Verschlussmittel 11 und in dem wenigstens einen weiteren Verbindungskanal 8 zumindest ein weiteres Verschlussmittel 12 angeordnet oder ausgebildet sein. Dabei kann der Öffnungsgrad der Verschlussmittel 11, 12 regulierbar sein bzw. reguliert werden. Hierbei kann das erste und/oder das wenigstens eine weitere Verschlussmittel 11, 12 gestuft oder stufenlos zwischen einer gänzlich geöffneten und einer vollständig geschlossenen Betriebsstellung reguliert, insbesondere gesteuert und/oder geregelt, werden. Das erste Verschlussmittel 11 und/oder das zweite Verschlussmittel 12 kann bzw. können beispielsweise als Nadelventil ausgebildet sein. Der Öffnungsgrad der wenigstens zwei Verschlussmittel 11, 12 kann beispielsweise über eine Steuereinheit 13 regulierbar, insbesondere Steuer- und/oder regelbar, sein. Hierzu ist die Steuereinheit 13 über eine uni- oder bidirektionale Datenverbindung 27 mit dem wenigstens einen Verschlussmittel 11, 12 verbunden. Die Verwendung zweier Verschlussmittel 11, 12 kann auch zu einer Vermeidung von größeren Querschnittssprüngen innerhalb der das Baumaterial 2 führenden Kanalabschnitte führen, da durch den Bypass ein kontinuierlicher Betrieb während einer Austrittsmengenveränderung des Baumaterials 2 ermöglicht wird. Dies führt zu geringen Widerständen und zu einem gleichmäßiger arbeitenden Gesamtprozess.
Das verwendete Baumaterial 2 kann beispielsweise zumindest teilweise aus Kunststoff bestehen, bevorzugt wird ein Kunststoff und Fasern umfassendes Baumaterial 2 verwendet, wobei Fasern dem Kunststoffgranulat zugeführt und gemeinsam im Zuge des plastifiziereinrichtungsseitig ausgeführten Plastifizierungsprozesses zu dem plastifizierten Baumaterial 2 verarbeitet werden. Nach der Aushärtung des Baumaterials 2 kann ein durch die eingebundenen Fasern verstärkter Formkörper 25 ausgebildet werden. Hierbei können als Fasern beispielsweise Kurzfasern Verwendung werden. Der Aufnahmebereich 10, in bzw. an welchen der weitere Verbindungskanal 8 mündet, kann beispielsweise ein Baumaterialsammelreservoir 14 umfassen, in welchem das in dem weiteren Verbindungskanal 8 geführte Baumaterial 2 aufnehmbar ist bzw. aufgenommen wird. Das wenigstens eine Verschlussmittel 11, 12 kann bevorzugt in der Nähe bzw. im Nahbereich der Druckdüse 5 und/oder in der Nähe bzw. im Nahbereich des Aufnahmebereichs 10 angeordnet sein. Dabei kann es ferner vorgesehen sein, dass das erste Verschlussmittel 11 in der Nähe der Druckdüse 5 und das weitere Verschlussmittel 12 in der Nähe des Aufnahmebereichs 10 angeordnet ist. Mit anderen Worten können sich die Verschlussmittel 11, 12 im Randbereich bzw. Nahe der äußeren Begrenzung der Druckeinrichtung 18 bzw. des Druckkopfs befinden. Damit kann der von dem Verschlussmittel 11, 12 zu dem Austritt der Druckeinrichtung 18 bzw. des Druckkopfs befindliche Weg des Baumaterials gering gehalten werden. Der stromab der Plastifiziereinrichtung 3 gelegene weitere Verbindungskanal 8 mit seinem Austrittbereich 15 kann beispielsweise mit einem Zuführabschnitt 16 der Plastifiziereinrichtung 3 verbunden sein, sodass das von dem Verbindungskanal 8 geführte Baumaterial 2 einem plastifiziereinrichtungsseitigen Plastifizierungsprozess zur Plastifizierung des Baumaterials 2 zuführbar ist bzw. zugeführt wird. In der Figur ist dies durch die einen Materialfluss darstellenden Pfeile 26, 26‘ dargestellt. Dieser Materialfluss kann beispielsweise durch eine kanalartige Verbindung erfolgen, durch welche das Baumaterial 2 ausgehend von dem Aufnahmebereich 10 zum Zuführabschnitt 16 der Plastifiziereinrichtung 3 verbracht wird, hierzu können insbesondere Fördermittel (z. B. eine Pumpe oder Ähnliches) eingesetzt werden. In diesem Fall kann der Zuführabschnitt 16 beispielsweise das Baumaterialsammelreservoir 14 als Austrittsbereich 15 bzw. Aufnahmebereich 10 des in dem weiteren Verbindungskanal 8 geführten Baumaterial 2 mit ausbilden. Alternativ kann das Baumaterialsammelreservoir 14 als ein lösbar in der additiven Fertigungsvorrichtung 1 angeordneter Baumaterialsammelbehälter ausgebildet sein, welcher manuell oder automatisiert zu dem Zuführabschnitt 16 der Plastifiziereinrichtung 3 verbracht und dort entleert oder derart eingesetzt wird, dass das in ihm befindliche Baumaterial 2 dem plastifiziereinrichtungsseitigen Plastifizierungsprozess zugeführt wird bzw. zuführbar ist. Vor einer Rückführung des den weiteren Verbindungskanal 8 bzw. den Bypass durchlaufenen Baumaterials 2 kann dieses verpulvert und/oder granuliert werden, sodass dieses Baumaterial 2 dann in Form eines Pulvers und/oder eines Granulats der Plastifiziereinrichtung 3 wieder zugeführt werden kann. Ferner kann die additive Fertigungsvorrichtung 1 eine Robotereinheit 17 umfassen, die eingerichtet ist, eine, zumindest die Druckdüse 5 umfassende, Druckeinrichtung
18 zu tragen und diese Druckeinrichtung 18 derart über die Bauebene 6 zu bewegen, sodass selektiv bereichsabhängig Baumaterial 2 auf die Bauebene 6 zur schichtweisen Ausbildung des Formkörpers 25 aufgebracht werden kann.
Die Plastifiziereinrichtung 3 kann beispielsweise wenigstens ein als Schnecke, insbesondere als Schneckenextruder 24, ausgebildetes Förder- und/oder Druckerzeugungsmittel umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Plastifiziereinrichtung 3 und/oder eine zumindest eine Druckdüse 5 umfassende Druckeinrichtung 18 mit einem Heizmittel 19 versehen sein bzw. ein solches umfassen. Das Heizmittel 19 ist exemplarisch als ein in der Druckeinrichtung 18 angeordnetes Heizmittel dargestellt. Alternativ oder zusätzlich kann das Heizmittel als ein in oder an der Druckdüse 5 und/oder als ein in oder an der Druckeinrichtung 18 und/oder als ein in oder an der Plastifiziereinrichtung 3 angeordneter oder ausgebildeter Heizmantel (nicht dargestellt) ausgebildet sein. Hierbei kann der Heizmantel ein Element der additiven Fertigungsvorrichtung 1 zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, umfänglich umschließen. Vermittels der seitens des Heizmittels 19 abgegebenen thermische Energie kann ein in der Plastifiziereinrichtung 3 und/oder in der Druckeinrichtung 18 geführtes Baumaterial 2 erwärmt bzw. aufgeheizt werden. Es ist vorteilhaft, wenn das Heizmittel
19 ein Erwärmen von in dem ersten und/oder in dem zweiten Verbindungskanal 7, 8 geführten Baumaterial 2 ermöglicht. Besonders bevorzugt kann das Heizmittel 19 derart ansteuerbar bzw. regelbar sein, dass gezielt die Temperaturen des ersten und des weiteren Verbindungskanals 7, 8 veränderbar ist. Insbesondere kann das Heizmittel 19 über die Steuereinheit 13 reguliert, insbesondere gesteuert bzw. geregelt, werden. So ist es möglich, den Durchflusswiderstand des Baumaterials 2 innerhalb des ersten Verbindungskanals 11 bzw. des zur Druckdüse 5 führenden Hauptkanals und des wenigstens einen weiteren Verbindungskanals 12 bzw. des Bypasses aufgrund eines gezielten Temperierens des in den jeweiligen Verbindungskanälen 7, 8 geführten Baumaterials 2 einzustellen, sodass evtl das Vorsehen eines ersten und/oder eines weiteren Verschlussmittels 11, 12 entbehrbar ist und/oder ergänzend zu einem Verstellen der in den Verbindungskanälen 7, 8 zumindest teilweise vorgesehenen Verschlussmittel 11, 12 zusätzlich durch das Temperiermittel 16 gezielt auf die Durchflussmengen Einfluss genommen werden kann. D. h. z. B., dass der Volumenstrom des den jeweiligen Verbindungskanal 7, 8 durchlaufenden Baumaterials 2 durch eine gezielte Einstellung dessen Temperierung in den jeweiligen Verbindungskanälen 7, 8 beeinflussbar bzw. einstellbar ist. So kann beispielsweise gezielt eine Temperaturdifferenz und damit eine unterschiedliche Viskosität mithin ein unterschiedlicher Volumenstrom zwischen dem den Hauptkanal und den Bypass durchlaufenden Baumaterial 2 durch eine entsprechende Ansteuerung des Heizmittels 19 definiert eingestellt werden.
In einem Kanalabschnitt 20 stromab des Ausgangs 9 der Plastifiziereinrichtung 3 kann beispielsweise ein Abzweig 21 ausgebildet sein, an welchem der erste und der wenigstens eine weitere Verbindungskanal 7, 8 abzweigen. Hierbei ist es möglich, dass die Durchtrittsfläche des Kanalabschnitts 20 gleich der oder größer als die Durchtrittsflächensumme des ersten und des wenigstens einen weiteren Verbindungskanals 7, 8 ist.
Der Abzweig 21 kann beispielsweise eine erste, dem ersten Verbindungskanal 7 zugeordnete Durchtrittsöffnung 22 und eine zweite, dem wenigstens einen weiteren Verbindungskanal 8 zugeordnete Durchtrittsöffnung 23 umfassen, wobei die erste Durchtrittsöffnung 22 eine Durchtrittsfläche aufweist, welche größer oder gleich der Durchtrittsfläche der wenigstens einen zweiten Durchtrittsöffnung 23 ist. Bevorzugt ist die Durchtrittsfläche der ersten Durchtrittsöffnung 22 mindestens um den Faktor 1,3, besonders bevorzugt mindestens um den Faktor 1,7, höchst bevorzugt mindestens um den Faktor 2,5, größer als die Durchtrittsfläche der wenigstens einen weiteren Durchtrittsöffnung 23. Hierbei können sich die angegebenen Werte auf minimale Durchtrittsflächenwerte oder durchschnittliche Durchtrittflächenmittelwerte (z. B. arithmetischer Mittelwert oder Median) der jeweiligen - mit Ausnahme eines etwaigen düsenähnlichen Austrittbereichs - Verbindungskanäle 11, 12 beziehen.
Die additive Fertigungsvorrichtung 1 kann beispielsweise nach Art eines Extrusion Additive Manufacturing Verfahrens (EAM) und/oder Fused Deposition Modeling Verfahrens FDM und/oder Fused Filament Fabrication Verfahrens FFF und/oder Fused Layer Modeling Verfahrens FLM betrieben werden, wobei ein pulver- und/oder granulatförmiges Baumaterial 2 innerhalb der additiven Fertigungsvorrichtung 1 extrudiert wird und dann, insbesondere zeitlich kurz vor dem Ablegen, auf der Bauebene 6 zur Bildung des Formkörpers 25 auf einer Bauplatte 28 oder auf bereits auf der Bauplatte 28 aufgebrachtes Baumaterial 2 abgelegt wird.
Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zur additiven Herstellung wenigstens eines Formkörpers 25 unter Verwendung einer hierin beschriebenen additiven Fertigungsvorrichtung 1. In einer optionalen Ausführungsform des Verfahrens kann vermittels eines ersten Verschlussmittels 11 die Zuführung von plastifizierten Baumaterial 2 zur Austrittsöffnung 4 der Druckdüse 5 und vermittels eines weiteren Verschlussmittels 12 die Zuführung von plastifizierten Baumaterial 2 zu einem Aufnahmebereich 10 reguliert werden. Ferner ist es möglich, dass im Zustand eines geschlossenen ersten Verschlussmittels 11 und eines geöffneten weiteren Verschlussmittels 12 die Zuführung von wenigstens einem Teil des Baumaterials 2, insbesondere die Zuführung des gesamten Baumaterials 2, zum Aufnahmebereich 10 über den weiteren Verbindungskanal 8 ausgeführt wird. Die Steuereinheit 13 kann beispielsweise dazu genutzt werden, die wenigstens zwei Verschlussmittel 11, 12 der Verbindungskanäle 7, 8 anzusteuern, hierzu können die Verschlussmittel 11, 12 mit entsprechenden vermittels der Steuereinheit 13 ansteuerbaren Aktuatoren ausgestattet sein. Ferner kann die Steuereinheit 13 (a) eine uni- oder bidirektionale und/oder (b) eine kabelgebundene oder kabellose Datenverbindung 27 zu der Robotereinheit 17 und/oder zu der Plastifiziereinrichtung 3, insbesondere zu einem Schneckenextruder 24 der Plastifiziereinrichtung 3, und/oder zu zumindest einem Heizmittel 19 aufweisen. Mit anderen Worten kann vermittels der Steuereinheit 13 eine Steuerung- und/oder Regelung des Betriebs der Verschlussmittel 11, 12, der Robotereinheit 17, der Plastifiziereinrichtung 3, insbesondere der Schneckenextruder 24 der Plastifiziereinrichtung 3, und/oder des zumindest einen Heizmittels 18 ausgeführt werden bzw. erfolgen.
Bezugszeichenliste
1 additive Fertigungsvorrichtung
2 Baumaterial 3 Plastifiziereinrichtung
4 Austrittsöffnung von 5
5 Druckdüse
6 Bauebene 7 erster Verbindungskanal 8 weiterer Verbindungskanal
9 Ausgang von 3
10 Aufnahmebereich 11 Verschlussmittel von 7 12 Verschlussmittel von 8 13 Steuereinheit
14 Baumaterialsammelreservoir
15 Austrittsbereich von 8
16 Zuführabschnitt von 3 17 Robotereinheit 18 Druckeinrichtung
19 Heizmittel
20 Kanalabschnitt 21 Abzweig 22 erste Durchtrittsöffnung von 7 23 weitere Durchtrittsöffnung von 8
24 Schneckenextruder
25 Formkörper
26, 26‘ Pfeil 27 Datenverbindung 28 Bauplatte

Claims

ANSPRÜCHE
1. Additive Fertigungsvorrichtung (1) zur extrusionsbasierten Herstellung eines Formkörpers (25) ausgehend von einem in Form eines Granulats und/oder eines Pulvers vorliegenden Baumaterial (2), umfassend
- eine Plastifiziereinrichtung (3), in welcher das pulver- und/oder granulatartige Baumaterial (2) plastifizierbar ist bzw. plastifiziert wird,
- eine mit einer Austrittsöffnung (4) versehene Druckdüse (5), vermittels der das plastifizierte Baumaterial (2) in eine Bauebene (6) selektiv bereichsabhängig zur Ausbildung des Formkörpers (25) aufbringbar ist bzw. aufgebracht wird,
- einen ersten Verbindungskanal (7) vermittels dem zumindest temporär das Baumaterial (2) von einem Ausgang (9) der Plastifiziereinrichtung (3) zu der Austrittsöffnung (4) der Druckdüse (5) führbar ist bzw. geführt wird und
- einen weiteren Verbindungskanal (8), vermittels dem zumindest temporär Baumaterial (2) zu einem Aufnahmebereich (10) führbar ist bzw. geführt wird, der nicht der Austrittsöffnung (4) der Druckdüse (5) entspricht.
2. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verschlussmittel (11) in dem ersten Verbindungskanal (7) angeordnet oder ausgebildet ist, wobei das Verschlussmittel (11) eingerichtet ist, einen Volumenstrom des durch den Verbindungskanal (7) geführten plastifizierten Baumaterials (2) zu verändern, insbesondere zu regeln, bevorzugt ist das Verschlussmittel (11) als Nadelventil ausgebildet.
3. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Verbindungskanal (7) ein erstes und in dem wenigstens einen weiteren Verbindungskanal (8) zumindest ein weiteres Verschlussmittel (12) angeordnet oder ausgebildet sind, wobei der Öffnungsgrad der Verschlussmittel (11, 12) regulierbar ist, bevorzugt ist zumindest das weitere Verschlussmittel (12) als Nadelventil ausgebildet. 4. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsgrad der wenigstens zwei Verschlussmittel (11, 12) über eine Steuereinheit (13) regulierbar, insbesondere Steuer- und/oder regelbar, ist.
5. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Baumaterial (2) zumindest teilweise aus Kunststoff besteht, bevorzugt wird ein Kunststoff und Fasern, insbesondere Kurzfasern, umfassendes Baumaterial (2) verwendet. 6. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebereich (10), in welchen der weitere Verbindungskanal (8) mündet, ein Baumaterialsammelreservoir (14) umfasst, in welchem das in dem weiteren Verbindungskanal (8) geführte Baumaterial (2) aufnehmbar ist bzw. aufgenommen wird, bevorzugt ist das Baumaterialsammelreservoir (14) als ein lösbar mit der additiven Fertigungsvorrichtung (1) verbindbarer Baumaterialsammelbehälter ausgebildet. 7. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der stromab der Plastifiziereinrichtung (3) gelegene weitere Verbindungskanal (8) mit seinem Austrittbereich (15) mit einem Zuführabschnitt (16) der Plastifiziereinrichtung (3) verbunden, sodass das von dem Verbindungskanal (8) geführte Baumaterial (2) einem plastifiziereinrichtungsseitigen Plastifizierungsprozess zur Plastifizierung des Baumaterials (2) zuführbar ist bzw. zugeführt wird.
8. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Robotereinheit (17) eingerichtet ist, eine, zumindest die Druckdüse (5) umfassende, Druckeinrichtung (18) zu tragen und diese Druckeinrichtung (18) derart über die Bauebene (6) zu bewegen, um selektiv bereichsabhängig Baumaterial (2) auf die Bauebene (6) zur Ausbildung des Formkörpers (25) aufzubringen.
9. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifiziereinrichtung (3) wenigstens ein als Schnecke, insbesondere als Schneckenextruder, ausgebildetes Förder- und/oder Druckerzeugungsmittel umfasst.
10. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifiziereinrichtung (3) und/oder eine zumindest eine Druckdüse (5) umfassende Druckeinrichtung
(18) mit einem Heizmittel (19) versehen ist, vermittels dem thermische Energie an ein in der Plastifiziereinrichtung (3) und/oder in der Druckeinrichtung (18) geführtes Baumaterial (2) übertragbar ist.
11. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kanalabschnitt (20) stromab des Ausgangs (9) der Plastifiziereinrichtung (3) ein Abzweig (21) ausgebildet ist, an welchem der erste und der wenigstens eine weitere Verbindungskanal (7, 8) abzweigen.
12. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verschlussmittel (11, 12) in der Nähe der Druckdüse (5) und/oder in der Nähe des Aufnahmebereichs (10) angeordnet ist, bevorzugt ist das erste Verschlussmittel (11) in der Nähe der Druckdüse (5) und das weitere Verschlussmittel (12) in der Nähe des Aufnahmebereichs (10) angeordnet.
13. Additive Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die additive Fertigungsvorrichtung (1) zur Extrusion eines pulver- und/oder granulatförmiges Baumaterials (2) nach Art eines Extrusion Additive Manufacturing Verfahrens (EAM) und/oder Fused Deposition Modeling
Verfahrens (FDM) und/oder Fused Filament Fabrication Verfahrens (FFF) und/oder Fused Layer Modeling Verfahrens (FLM) eingerichtet ist. 14. Verfahren zur additiven Herstellung wenigstens eines Formkörpers (25) unter Verwendung einer additiven Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass vermittels eines ersten Verschlussmittels (11) die Zuführung von plastifizierten Baumaterial (2) zur Austrittsöffnung (4) der Druckdüse (5) und vermittels eines weiteren Verschlussmittels (12) die Zuführung von plastifizierten Baumaterial (2) zu einem Aufnahmebereich (10) reguliert wird, bevorzugt wird im Zustand eines geschlossenen ersten Verschlussmittels (11) und eines geöffneten weiteren Verschlussmittels (12) die Zuführung von wenigstens einem Teil des Baumaterials (2), insbesondere die Zuführung des gesamten Baumaterials (2), zum Aufnahmebereich (10) über den weiteren Verbindungskanal (8) ausgeführt.
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