Filamentvorschub bei der additiven Fertigung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Ferti gung eines Bauteils aufweisend wenigstens ein Förderungsele ment zur Beförderung eines Filaments in Richtung einer Düse.

Die DE 10 2017 100 170 Al offenbart ein Verfahren zur Erstel lung 3-dimensionaler Werkstücke mit einem 3D-Druckverfahren, bei dem das Werkstück durch Aufträgen eines thermoplastischen Werkstoffs aufgebaut wird, bei dem der Rohstoff in Form von Werkstoffdraht (Filament) zugeführt wird. Das offenbarte Ver fahren bedient sich hierfür eines Extruders, der mittels Ex trudervorschub und Anpressrolle den Vorschub des Filaments in eine Düse des Extruders und damit zum Auftrag auf das Werk stück fördert.

Eine derartige Krafteinleitung erfolgt jedoch auf einer nur sehr kleinen Wirkfläche, insbesondere Reibfläche, und zudem nur einseitig, wodurch das Filament Schaden nehmen oder sich unkontrolliert zwischen dem Extrudervorschub und der Anpress rolle hindurchbewegen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils, insbesondere hin sichtlich eines Vorschubs des Filaments, zu verbessern.

Die Lösung der Aufgabe gelingt durch die Merkmale des An spruchs 1, d. h. eine Vorrichtung zur additiven Fertigung ei nes Bauteils aufweisend wenigstens ein Förderungselement zur Förderung eines Filaments in Richtung einer Düse, wobei das Förderungselement derart ausgebildet ist, ein Außengewinde im Filament auszubilden.

Ferner gelingt die Lösung der Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 13, d. h. einen 3D-Drucker mit einer derartigen Vorrichtung sowie durch die Merkmale des Anspruchs 14, d. h. ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils mit ei ner derartigen Vorrichtung.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen .

Durch die Ausbildung des Außengewindes ist eine kontinuierli che Krafteinleitung in das Filament möglich. Der Vorschub des Filaments in Richtung der Düse ist gleichmäßig. Auf diese Weise kann bei der additiven Fertigung des Bauteils eine ge naue Dosierung des Filaments in seiner Form als Werkstoff er reicht werden.

Erfindungsgemäß ist mittels der Vorrichtung das Außengewinde als gepresstes Außengewinde ausbildbar.

Mittels der Vorrichtung könnte alternativ und nicht erfin dungsgemäß das Außengewinde auch als gespantes Außengewinde ausbildbar sein. Jedoch müsste hierfür die Vorrichtung ein Element zum Auffangen von Spänen und/oder ein Element zur Aufbewahrung von Spänen und/oder ein Element zur Abführung von Spänen aufweisen.

Gewinde, insbesondere Außengewinde, sind vorzugsweise selbst hemmend ausgeführt. Dies bedeutet, dass auch bei Ausfall ei ner elektrischen Energieversorgung des Motors das Filament sicher in Position gehalten wird. Bei einem unplanmäßigen Ausfall der Energieversorgung müssen daher keine Schäden am Filament oder der Vorrichtung befürchtet werden, da sich das Filament immer in einer definierten Position befindet. Zudem kann die Selbsthemmung auch zur Energieeinsparung eingesetzt werden. Vorteilhaft wird zur Energieeinsparung der Motor in definierten Abständen gestoppt. Ein Haltestrom, welcher einem In-Position-Halten des Filaments dient, ist nicht nötig.

In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Förderungselement an einem Außenumfang von einem Mo tor, insbesondere über ein Getriebe, antreibbar. Vorzugsweise ist am Außenumfang des Förderungselements ein Zahnrad ausgebildet. Vorzugsweise ist dieses Zahnrad mit ei nem weiteren Zahnrad gepaart, welches, vorzugsweise über eine Welle, von dem Motor antreibbar ist. Die beiden Zahnräder bilden vorzugsweise ein Zahnradgetriebe.

Vorzugsweise sind eine Maschinenachse des Motors und eine Vorschubrichtung des Filaments wenigstens im Wesentlichen pa rallel. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die Vorrich tung kompakt gebaut werden kann.

Vorzugsweise wird als Motor ein Schrittmotor verwendet. Der Schrittmotor ist vorzugsweise als Synchronmotor ausgeführt, bei dem der Rotor durch ein gesteuertes, schrittweise rotie rendes, elektromagnetisches Feld der Statorspulen um einen minimalen Winkel oder sein Vielfaches gedreht werden kann. Jedoch ist auch eine Ausführung als Linear- und/oder Segment motor möglich. Auch ein Servomotor, insbesondere mit einem Sensor zur Positionsbestimmung, kann verwendet werden.

Schrittmotoren eignen sich besonders gut, da sie eine hohe Genauigkeit aufweisen. Der Vorschub des Filaments kann daher sehr genau eingestellt werden. Zudem sind Schrittmotoren günstig .

Vorzugsweise weist das Zahnradgetriebe ein hohes Überset zungsverhältnis auf. Ein kleines Drehmoment des Motors kann somit über eine hohe Drehzahl des Motors kompensiert werden.

Dies hat den Vorteil, dass ein wenig präziser und somit güns tiger Motor eingesetzt werden kann. Zudem sind drehmoment schwache Motoren meist kompakt und leicht, wodurch auch die erfindungsgemäße Vorrichtung kompakt und leicht gebaut werden kann .

Ein Positionierfehler aufgrund geringer Präzision kann durch eine hohe Übersetzung geglättet werden. Ferner stellt das im Filament ausgebildete Gewinde, insbesondere Außengewinde, selbst eine hohe Übersetzung zwischen einer Bewegung des För derungselements und des Filaments dar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Förderungselement an einem Innenumfang ein Gewinde ausbildungselement auf.

Durch die Ausbildung des Außengewindes sind das Filament und das Gewindeausbildungselement formschlüssig miteinander ver bunden. Das Filament kann sich daher nicht unkontrolliert be wegen .

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Förderungselement Stahl, insbesondere Baustahl und/oder Werkzeugstahl, oder Keramik auf.

Stahl, insbesondere Baustahl und/oder Werkzeugstahl, oder Ke ramik sind als Konstruktionswerkstoff für das Förderungsele ment besonders gut geeignet.

Vorzugsweise weist das Förderungselement gehärteten Werkzeug stahl auf. Für ein Filament aus einem weicheren Material kann Baustahl verwendet werden.

Vorzugsweise weist das Förderungselement Siliziumkarbid, Alu miniumoxid und/oder Porzellan auf. Dies hat den Vorteil einer geringen Reibung.

Ferner kann das Förderungselement auch Polytetrafluorethylen, also „Teflon", aufweisen. Insbesondere eine Beschichtung des Förderungselements mit Polytetrafluorethylen dient einer Rei bungsreduktion .

Das Förderungselement kann einstückig ausgeführt sein.

Jedoch kann das Förderungselement auch aus einem Zahnrad und einem Gewindeausbildungselement zusammengesetzt sein. Beson ders vorteilhaft ist dies, wenn das Zahnrad aus einem an- deren Material gefertigt bzw. ein anderes Material beinhalten soll als das Gewindeausbildungselement.

Es ist denkbar, dass das Zahnrad Stahl und das Gewindeausbil dungselement Keramik beinhaltet. Das Zahnrad und das Gewinde ausbildungselement können, z. B. mittels Klebung, zum Förde rungselement vereint werden.

Das Gewindeausbildungselement wie auch das gesamte Förde rungselement können an das verwendete bzw. zu verwendende Filament angepasst werden. Zudem gelingt eine Anpassung an andere Prozesskennwerte wie Druck, Geschwindigkeit und Dyna mik leicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Einschnitttiefe des Außengewindes in das Filament zunehmend ausbildbar.

Das bedeutet in anderen Worten: Das Gewindeausbildungselement ist so ausgebildet, dass die Einschnitttiefe an einer ersten Stelle weniger tief in das Filament als an einer zweiten Stelle einschneidet (bzw. einpresst). Vorteilhaft ist erst nach wenigstens einem, vorzugsweise zwei oder mehr, Umläufen des Gewindeausbildungselements um das Filament die beabsich tigte Einschnitttiefe erreicht.

Dies hat den Vorteil, dass das Außengewinde schonend ausge bildet werden kann.

Ferner ist ein bidirektionaler Förderungsbetrieb möglich.

Dies ist insofern vorteilhaft, als ein Tropfen des Extruders verhindert wird. Das Filament wird hierbei ein Stück weit in eine Richtung, welche einer Förderungsrichtung entgegenge setzt ist, zurückgezogen, wenn nicht extrudiert wird, also wenn z. B. der 3D-Drucker mit der beschriebenen Vorrichtung pausiert und/oder an eine andere Position gefahren wird. Vorzugsweise ist das Außengewinde als rechtsgängige oder linksgängige Helix mit einer Steigung zwischen 0,25 und 6 ausgeführt. Gut eignen sich Gewinde der Typen (Metrisches ISO-Gewinde) M 2, M 2,5, M 3, M 3,5 oder M 4. Insbesondere M 3 eignet sich besonders gut. Jedoch sind auch andere Gewinde typen und auch andere Formen möglich.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung als 3D-Druckkopf ausgeführt.

Die Vorrichtung kann mit einem 3D-Drucker einstückig ausge führt sein. Ferner kann sie auch als portabler Druckkopf an den 3D-Drucker ansteckbar ausgeführt sein.

Mittels der Erfindung ist eine leichte und kompakte Bauweise eines 3D-Druckkopfes , insbesondere für einen 3D-Drucker, mög lich. Eventuelle Brüche des Filaments können mittels der Er findung verhindert werden.

Zudem ist es denkbar, die erfindungsgemäße Vorrichtung an an dere Maschinen ankoppelbar auszuführen, beispielsweise an ei ne Werkzeugspindel einer Werkzeugmaschine.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dient die Düse einem Ausgeben des Filaments.

Die Erfindung ermöglicht mittels der Düse ferner eine präzise Dosierung während eines stabilen Förderungsprozesses und bei hohem Druck.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung ein Heizelement zum Erhitzen und/oder Schmelzen des Filaments auf.

Vorteilhaft ist das Heizelement in oder zumindest in unmit telbarer Nähe der Düse ausgeführt. Die Düse gibt vorzugsweise ein geschmolzenes Filament bzw. ein Filament, welches - vor- zugsweise mittels des Heizelements - formbar gemacht wurde, aus .

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung ein Aufnahmeelement zum Aufnehmen des Filaments auf.

Das Aufnahmeelement nimmt das Filament auf, das beispielswei se als eine Filamentspule aufgewickelt ist.

Vorzugsweise weist das Aufnahmeelement einen Gegenhalter auf. Der Gegenhalter verhindert vorteilhaft, dass sich das Fila ment bei Ausbilden des Gewindes mitdreht oder verdreht. Der Gegenhalter ist vorteilhaft eine Momentstütze . Beispielsweise ist der Gegenhalter als ein Führungsrollenpaar und/oder als wenigstens ein Steg ausgebildet. Ferner ist auch eine enge Passung denkbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Filament Metall oder eine Metalllegierung oder Kunststoff auf.

Als Kunststoff eignen sich z. B. Thermoplaste und/oder Duro plaste .

Als Metalle eignen sich z. B. verschiedene schmelzbare Dräh te, Lötzinn, Bronze, Kupfer, Messing, und/oder Aluminium.

Ferner ist auch ein Filament denkbar, welches Holz, Kohlefa sern oder Gesteinsmehl aufweist.

Der 3D-Drucker mit der beschriebenen Vorrichtung kann auf verschiedene Weise ausgeführt sein.

Vorteilhaft weist der 3D-Drucker einen Tisch auf, welcher entlang wenigstens einer Achse, vorzugsweise zwei Achsen, verfahrbar ist. Jedoch kann der Tisch auch entlang von drei oder mehr Achsen verfahrbar sein. Vorteilhaft ist die Vorrichtung entlang wenigstens einer Ach se, vorzugsweise zweier Achsen, verfahrbar. Jedoch kann die Vorrichtung auch entlang dreier oder mehrerer Achsen verfahr bar sein.

Die Erfindung bietet den Vorteil einer konstruktiv einfachen Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils. Zudem entfallen komplexe Einstellungen und zeitintensive Ausricht vorgänge, da vorteilhaft die Maschinenachse des Motors und die Vorschubrichtung des Filaments parallel zueinander ange ordnet sind.

Die Vorrichtung ermöglicht zudem ein schnelleres additives Fertigen eines Bauteils.

Das Verfahren zur additiven Fertigung des Bauteils mit der beschriebenen Vorrichtung weist folgende Schritte auf.

Das Filament wird durch das Aufnahmeelement aufgenommen.

Das Förderungselement wird mittels des Motors, vorzugsweise über ein Getriebe, angetrieben. Vorzugsweise weist das Förde rungselement an dem Außenumfang ein Zahnrad auf.

Das Außengewinde wird mittels des Förderungselements ausge bildet. Vorzugsweise wird das Außengewinde mittels des Gewin deausbildungselements ausgebildet, welches vorteilhaft am In nenumfang des Förderungselements ausgebildet ist.

Mittels des Förderungselements wird eine Zugkraft auf das Filament aufgebracht. In anderen Worten bedeutet dies: Das Filament wird, insbesondere mit hohem Druck, in Richtung der Düse geführt. Die Zugkraft ist vorzugsweise eine axiale Druckkraft .

Auf diese Weise wir das Filament in Richtung der Düse geför dert . Das Filament wird erwärmt und/oder geschmolzen mittels des Heizelements .

Das Filament wird von der Düse ausgegeben.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Außengewinde pressend ausgebildet.

Das Außengewinde kann jedoch auch spanend ausgebildet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Bauteil schichtweise gefertigt.

Die Erfindung eignet sich besonders gut für eine additive Fertigung mittels Schmelzschichtung, insbesondere Fused Depo sition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) .

Mittels der Erfindung ist die additive Fertigung eines Bau teils auf Basis von herkömmlichen Filamenten möglich. Das verwendete Filament muss keine besonderen Eigenschaften, bei spielsweise bezüglich Länge oder Textur, aufweisen.

Ein Kunde kann ein konventionelles Filament, beispielsweise aufgewickelt auf einer Rolle oder aufgewickelt zu einer Rol le, einsetzen, was Kosten und Zeit spart.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Es zeigen:

FIG 1 eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines Bau teils,

FIG 2 eine mögliche Ausgestaltung eines 3D-Druckers und FIG 3 einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfah- rens . FIG 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines Bauteils .

Vorteilhaft wird die Vorrichtung als 3D-Druckkopf eingesetzt. Die Vorrichtung ist in der Figur von einem Gehäuse G einge haust .

Die Vorrichtung 1 weist ein Förderungselement 2 zur Förderung eines Filaments 3 in Richtung einer Düse 4 auf. Das Förde rungselement 2 bildet in der Figur ein Außengewinde 5 im Filament 3 aus.

Das Außengewinde 5 ist in der Figur als gepresstes Außenge winde ausgebildet.

Nicht erfindungsgemäß wäre auch eine spanende Bearbeitung des Filaments 3 durch das Förderungselement 2 und somit ein ge spantes Außengewinde möglich. Jedoch müsste hierfür in der Vorrichtung ein Element zum Auffangen von Spänen und/oder ein Element zur Aufbewahrung von Spänen und/oder ein Element zur Abführung von Spänen vorgesehen werden (nicht in der Figur gezeigt) .

Das Förderungselement 2 ist an einem Außenumfang von einem Motor, insbesondere über ein Getriebe, antreibbar. Der Außen umfang ist als Zahnrad 21 ausgeführt. Das Zahnrad 21 ist mit einem Zahnrad 61 gepaart.

Das Zahnrad 61 ist über eine Welle 60 mit einem Motor 6, ins besondere einem Schrittmotor, verbunden.

Die beiden Zahnräder 21 und 22 bilden ein Zahnradgetriebe zur Kraftübertragung vom Motor 6 auf das Förderungselement 2.

Die Achse Al des Förderungselements 2 und die Achse A2 des Motors 6 sind in der Figur parallel. Das Förderungselement 2 weist an einem Innenumfang ein Gewin deausbildungselement 22, insbesondere einen pressenden Gewin deschneider, auf. Durch die Ausbildung des Außengewindes 5 auf dem Filament 3 wird eine Zugkraft auf das Filament 3 auf gebracht, sodass das Filament 3 von einem Aufnahmeelement 10 in Richtung der Düse 4 gefördert wird.

Das Förderungselement 2 kann einstückig ausgeführt sein.

Jedoch kann das Förderungselement 2 auch aus dem Zahnrad 21 und dem Gewindeausbildungselement 22 zusammengesetzt sein. Besonders vorteilhaft ist dies, wenn das Zahnrad 21 aus einem anderen Material gefertigt bzw. ein anderes Material beinhal ten soll als das Gewindeausbildungselement 22.

Es ist denkbar, dass das Zahnrad 21 Stahl und das Gewindeaus bildungselement 22 Keramik beinhaltet. Das Zahnrad 21 und das Gewindeausbildungselement 22 können, z. B. mittels Klebung, zum Förderungselement 2 vereint werden.

Eine Einschnitttiefe des Gewindeausbildungselements 22 kann von einem Ende zu einem anderen zunehmen.

Die Düse 4 weist in der Figur ein Heizelement 7 zum Erhitzen und/oder Schmelzen des Filaments auf.

Mittels der Düse 4 wird das Filament 3 - nun geschmolzen und formbar - ausgegeben.

Das Förderungselement 2 erlaubt eine genaue Dosierung des zur additiven Fertigung eines Bauteils zu schmelzenden Filaments

3.

Die Figur zeigt zudem eine Schnittstelle 11 zur Versorgung des Motors 6 (über eine Leitung 12) sowie zur Versorgung des Heizelements 7 (über eine Leitung 13) mit elektrischer Ener gie . Die Figur zeigt zudem eine optionale Kommunikationsschnitt stelle 16. Diese dient beispielsweise einer Kommunikation mit einer übergeordneten Steuerung (nicht in der Figur gezeigt) und ermöglicht ein Abrufen von Daten eines optionalen Sensors 8 im Heizelement 7 (über eine Kommunikationsleitung 18) - z. B. aktuelle Temperaturwerte - und/oder eines optionalen Sen sors 19 am Motor 6 - z. B. aktuelle Drehzahl, Position bzw. Stellung (über eine Kommunikationsleitung 17).

Ferner ist auch eine Steuerung von Motor und/oder Heizelement über die Kommunikationsschnittstelle 16 und die jeweilige Kommunikationsleitung 17 bzw. 18 denkbar.

Die Figur zeigt zudem drei wesentliche Zustände des Fila ments: ZI zeigt den ursprünglichen Zustand des Filaments 3,

Z2 zeigt das bearbeitete Filament 3 mit Außengewinde 5 und Z3 zeigt das geschmolzene Filament 3.

FIG 2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung eines 3D-Druckers 100.

Der 3D-Drucker weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 auf, die in der Figur als 3D-Druckkopf ausgeführt ist.

Die Vorrichtung 1 kann beispielsweise entlang einer x-Achse Ax (wenigstens im Wesentlichen parallel zur Erdoberfläche) und einer z-Achse Az (wenigstens im Wesentlichen vertikal zur Erdoberfläche) verfahren werden. Ein Arbeitstisch 101, auf welchem das Bauteil gedruckt wird, kann beispielsweise ent lang einer y-Achse Ay (wenigstens im Wesentlichen parallel zur Erdoberfläche, aber in einem Winkel von ca. 90° zur x- Achse) verfahren werden. Jedoch ist auch ein Verfahren ent lang anderer Achsen möglich. Ferner kann auch das Verfahren entlang der x-Achse, der y-Achse und der z-Achse anders auf Vorrichtung 1 und Arbeitstisch 101 verteilt sein.

Die Vorrichtung 1 ist in der Figur mit einem Antrieb 102 ver bunden, welcher das Verfahren entlang der x-Achse Ax in der Figur auf einem Stangenpaar Sx (auch nur eine Stange ist denkbar) ermöglicht.

Ferner ist die Vorrichtung 1 mit einem Filamentlager 103 ver bunden. Das Filament kann im Filamentlager beispielsweise aufgewickelt als Filamentspule oder auf einer Rolle aufgewi ckelt vorliegen.

Ein Antrieb 104 und ein Antrieb 105 können in der Figur das Stangenpaar Sx entlang der z-Achse Az entlang des Stangen paars SzL bzw. SzR verfahren.

Wenigstens ein Antrieb (in der Figur nicht gezeigt) kann den Arbeitstisch 101 entlang der y-Achse Ay auf einem Stangenpaar SyL und SyR verfahren.

Die Antriebe sind vorteilhaft mit einer Steuereinheit verbun den .

FIG 3 zeigt einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Ver fahrens .

In einem Verfahrensschritt S1 wird das Filament durch das Aufnahmeelement aufgenommen.

In einem Verfahrensschritt S2 wird das Förderungselement mit tels des Motors angetrieben, vorzugsweise über ein Getriebe. Vorteilhaft ist das Getriebe ein Zahnradgetriebe.

In einem Verfahrensschritt S3 wird das Außengewinde mittels des Förderungselements, insbesondere mittels des Gewindeaus bildungselements, ausgebildet, wodurch in einem Verfahrens schritt S4 eine Zugkraft auf das Filament mittels des Förde rungselements aufgebracht wird.

In einem Verfahrensschritt S5 wird das Filament in Richtung der Düse gefördert. In einem Verfahrensschritt S6 wird das Filament mittels des Heizelements erwärmt und/oder geschmolzen.

In einem Verfahrensschritt S7 folgt das Ausgeben des Fila ments mittels der Düse. Das Filament wird hierbei vorteilhaft definiert und gemäß einer Vorgabe zur Bauteilfertigung abge legt .

In einem Verfahrensschritt S8 wird das Bauteil fertig ge stellt .

Das Außengewinde wird im beschriebenen Verfahren erfindungs gemäß pressend ausgebildet.

Vorzugsweise erfolgt die Fertigung des Bauteils schichtweise.

Vorteilhaft wird das Ausgeben des Filaments während der Fer tigung nicht gestoppt, sondern die Vorrichtung, vorzugsweise als Druckkopf ausgeführt, wird auf wenigstens einer Achse verfahren .

Die Vorrichtung kann beispielsweise entlang der x-Achse und der z-Achse verfahren werden. Der Arbeitstisch, auf welchem das Bauteil gedruckt wird, kann beispielsweise entlang der y- Achse verfahren werden. Jedoch ist auch ein Verfahren entlang anderer Achsen möglich. Ferner kann auch das Verfahren ent lang der x-Achse, der y-Achse und der z-Achse anders auf Vor richtung und Arbeitstisch verteilt sein.

Durch das Verfahren entlang der z-Achse (egal ob die Vorrich tung oder der Tisch verfahren wird) kann die schichtweise Fertigung des Bauteils bewerkstelligt werden.