DE102020117593A1

DE102020117593A1 - Method and device for manufacturing workpieces using the melt layer process

Info

Publication number: DE102020117593A1
Application number: DE102020117593.0A
Authority: DE
Inventors: Lukas Pelzer; Jakob Onken
Original assignee: Ver Zur Foerderung Des Instituts fur Kunststoffverarbeitung In Industrie und Handwerk An Der Rhein; Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Current assignee: Ver Zur Foerderung Des Instituts fur Kunststoffverarbeitung In Industrie und Handwerk An Der Rhein; Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2022-01-05

Abstract

Um ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Werkstücken im Schmelzschichtverfahren anzugeben, deren mechanischen Eigenschaften insbesondere in Aufbaurichtung verbessert sind, werden zwei Lösungen vorgeschlagen, die die Schichthaftung bei der additiven Fertigung in Aufbaurichtung verbessern. Die erste Lösung basiert auf dem Gedanken, dass die Anbindung an die zuvor aufgebrachte Schicht nicht nur durch die Temperatur des abgelegten schmelzfähigen Materials, sondern zusätzlich durch Beheizung der zuvor aufgebrachten Schicht mittels Wärmeleitung bewirkt wird. Die zweite Lösung beruht auf dem Gedanken, die Anbindung an die zuvor aufgebrachte Schicht durch Vergrößerung der Kontaktfläche zu verbessern. Die Oberflächenvergrößerung wird durch das Einbringen einer Oberflächenstruktur in jede noch nicht ausgehärtete Schicht während des Aufbringens der Schicht bewirkt.In order to specify a method and a device for producing workpieces using the fusion layering method, the mechanical properties of which are improved in particular in the build-up direction, two solutions are proposed which improve the layer adhesion in additive manufacturing in the build-up direction. The first solution is based on the idea that the connection to the previously applied layer is brought about not only by the temperature of the deposited meltable material, but also by heating the previously applied layer by means of heat conduction. The second solution is based on the idea of improving the connection to the previously applied layer by increasing the contact area. The increase in surface area is brought about by introducing a surface structure into each layer that has not yet hardened during the application of the layer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Werkstücken im Schmelzschichtverfahren aus mehreren Schichten eines schmelzfähigen Materials.The invention relates to a method and a device for producing workpieces in the melt layer method from several layers of a meltable material.

Die Vorrichtung umfasst

- eine beheizte Düse mit einem Düsenkörper aus wärmeleitendem Material zum Extrudieren des schmelzfähigen Materials, wobei die Düse in einer Ebene in x- und y-Richtung bewegbar ist und
- einen sich durch den Düsenkörper der Düse entlang einer Düsenlängsachse erstreckenden Durchgang, der in einer Düsenöffnung an einer Unterseite der Düse mündet, wobei die Düsenlängsachse bei einer Bewegung der Düse in der Ebene in z-Richtung verläuft.

The device comprises

- A heated nozzle with a nozzle body made of thermally conductive material for extruding the meltable material, the nozzle being movable in one plane in the x and y directions and
- A passage extending through the nozzle body of the nozzle along a nozzle longitudinal axis which opens into a nozzle opening on an underside of the nozzle, the nozzle longitudinal axis running in the z-direction when the nozzle moves in the plane.

Das Schmelzschichtverfahren bezeichnet ein additives Fertigungsverfahren mit dem ein Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigen Material aufgebaut wird. Das Schmelzschichtverfahren wird auch als Fused Deposition Moulding (FDM) bezeichnet. Für das FDM-Verfahren kommen als schmelzfähige Materialien beispielsweise Formwachse und Thermoplaste wie Polyethylen, Polypropylen, Polylactid, ABS, PETG und thermoplastische Elastomere in Betracht.The melt layer process describes an additive manufacturing process with which a workpiece is built up in layers from a meltable material. The melt layer process is also known as Fused Deposition Molding (FDM). For the FDM process, for example, molded waxes and thermoplastics such as polyethylene, polypropylene, polylactide, ABS, PETG and thermoplastic elastomers come into consideration as meltable materials.

Das schmelzfähige Material kann als Filament vorliegen und wird in einer beheizten Düse aufgeschmolzen und als zähflüssiger Faden auf eine Arbeitsebene aufgebracht. Alternativ wird als Granulat vorliegendes schmelzfähiges Material in einem mit einer beheizten Düse verbundenen Extruder aufgeschmolzen und mittels der Düse aufgebracht.The meltable material can be present as a filament and is melted in a heated nozzle and applied as a viscous thread to a work plane. Alternatively, meltable material present as granules is melted in an extruder connected to a heated nozzle and applied by means of the nozzle.

Der Aufbau des Werkstücks erfolgt üblicherweise, indem wiederholt jeweils zeilenweise eine Ebene in X- und Y-Richtung mit der Düse abgefahren und dann die Arbeitsebene in einer dazu senkrechten Z-Richtung verschoben wird. Es ist jedoch auch möglich, zum Aufbringen der nächsten Schicht die Düse in z-Richtung zu verschieben. Die nächste Schicht wird auf die zuvor aufgebrachte, durch Abkühlung gehärtete Schicht aufgebracht. Bei der schichtweisen Herstellung verbinden sich damit die einzelnen Schichten zu einem Werkstück.The workpiece is usually built up by repeatedly traversing a plane line by line in the X and Y directions with the nozzle and then shifting the working plane in a Z direction perpendicular thereto. However, it is also possible to move the nozzle in the z-direction to apply the next layer. The next layer is applied to the previously applied layer that has been hardened by cooling. When manufacturing in layers, the individual layers combine to form a workpiece.

Aufgrund des schichtweisen Aufbaus weisen die hergestellten Werkstücke in der Regel anisotrope mechanische Eigenschaften auf. In Aufbaurichtung, das heißt in z-Richtung sind die Eigenschaften der Werkstücke vielfach deutlich schlechter, als in x- und y- Richtung. Um eine ausreichende Verbindung zwischen dem aufgeschmolzenen Material zur Herstellung einer nächsten Schicht auf der zuvor aufgebrachten, durch Abkühlung bereits gehärteten Schicht zu gewährleisten, wird das aufgeschmolzene Material mit Hilfe der Düse auf die zuvor aufgebrachte Schicht aufgedrückt.Due to the layered structure, the workpieces produced usually have anisotropic mechanical properties. In the construction direction, that is, in the z direction, the properties of the workpieces are often significantly worse than in the x and y directions. In order to ensure a sufficient connection between the melted material for the production of a next layer on the previously applied layer, which has already been hardened by cooling, the melted material is pressed onto the previously applied layer with the aid of the nozzle.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Werkstücken im Schmelzschichtverfahren anzugeben, deren mechanischen Eigenschaften insbesondere in Aufbaurichtung verbessert sind.Proceeding from this prior art, the invention is based on the object of specifying a method and a device for manufacturing workpieces using the fused layer method, the mechanical properties of which are improved, in particular in the direction of construction.

Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken, die Schichthaftung bei der additiven Fertigung im Schmelzschichtverfahren zu verbessern. Eine erste Lösung zur Verbesserung der Schichthaftung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 18. Eine zweite Lösung zur Verbesserung der Schichthaftung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 15 und 20.The solution to this problem is based on the idea of improving layer adhesion in additive manufacturing using the melt layer process. A first solution for improving the layer adhesion results from the features of the independent claims 1 and 18. A second solution for improving the layer adhesion results from the features of the independent claims 15 and 20.

Die erste Lösung basiert auf dem Gedanken, dass die Anbindung an die zuvor aufgebrachte Schicht nicht nur durch die Temperatur des abgelegten schmelzfähigen Materials, sondern zusätzlich durch Beheizung der zuvor aufgebrachten Schicht mittels Wärmeleitung bewirkt wird. Die Beheizung erfolgt über eine Heizfläche, die mit einem Teilbereich der Oberfläche der zuvor aufgebrachten Schicht des abgekühlten und gehärteten schmelzfähigen Materials während des Aufbringens der nächsten Schicht in Kontakt gebracht wird. Die Heizfläche ist in wärmeleitender Verbindung unmittelbar an dem Düsenkörper der Düse angeordnet. Der aufzuheizende Teilbereich befindet sich stets in Bewegungsrichtung unmittelbar vor der Düsenöffnung der beheizten Düse, das heißt in der Fügezone des aufgeschmolzenen Materials. Um die Heizfläche stets auf die Fügezone ausrichten zu können, ist die Düse um ihre Düsenlängsachse drehbar.The first solution is based on the idea that the connection to the previously applied layer is brought about not only by the temperature of the deposited meltable material, but also by heating the previously applied layer by means of thermal conduction. The heating takes place via a heating surface which is brought into contact with a partial area of the surface of the previously applied layer of the cooled and hardened meltable material during the application of the next layer. The heating surface is arranged in a thermally conductive connection directly on the nozzle body of the nozzle. The partial area to be heated is always located in the direction of movement directly in front of the nozzle opening of the heated nozzle, that is to say in the joining zone of the melted material. In order to always be able to align the heating surface with the joining zone, the nozzle can be rotated about its longitudinal axis.

Als Drehantrieb für die Drehung der Düse um ihre Längsachse kommt insbesondere ein Elektroantrieb, wegen der hohen Positioniergenauigkeit vorzugsweise ein Servoantrieb, in Betracht. Die Vorrichtung weist eine Steuerung auf, um mittels des Drehantriebs die Düse abhängig von deren Bewegung in der Ebene in x- und y-Richtung um die Düsenlängsachse in eine Drehlage zu drehen, in der der mit der Heizfläche in Kontakt stehende Teilbereich in Bewegungsrichtung der Düse vor der Düsenöffnung, das heißt in der Fügezone liegt.A suitable rotary drive for rotating the nozzle about its longitudinal axis is in particular an electric drive, preferably a servo drive because of the high positioning accuracy. The device has a control to rotate the nozzle by means of the rotary drive depending on its movement in the plane in the x and y directions around the nozzle longitudinal axis into a rotational position in which the part area in contact with the heating surface is in the direction of movement of the nozzle in front of the nozzle opening, i.e. in the joining zone.

Wenn die Düse in einem Druckkopf der Vorrichtung drehbar um die Düsenlängsachse gelagert ist, kann der Drehantrieb zwischen Düse und Druckkopf angeordnet sein. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Düse drehfest in dem Druckkopf angeordnet und zusammen mit dem Druckkopf drehbar um die Düsenlängsachse gelagert. In diesem Fall stützt sich der Drehantrieb beispielsweise an einem Schlitten zur Bewegung des Druckkopfs in der Ebene in x- und y-Richtung ab.If the nozzle is mounted rotatably about the longitudinal axis of the nozzle in a print head of the device, the rotary drive can be arranged between the nozzle and the print head. In a further embodiment of the invention, the nozzle is rotatably arranged in the print head and together with the Print head rotatably mounted around the nozzle longitudinal axis. In this case, the rotary drive is supported, for example, on a carriage for moving the print head in the plane in the x and y directions.

Zum schichtweisen Aufbau des Werkstücks ist es erforderlich, dass die Düse und die Arbeitsebene in einer zu der Ebene in x- und y-Richtung senkrechten z-Richtung relativ zueinander bewegbar sind. Die Arbeitsebene ist diejenige Oberfläche, auf der die jeweilige Schicht abgeschieden wird. Die Relativbewegung in z-Richtung erfolgt jeweils um die Schichtdicke der aufzubringenden Schichten, die durch den Abstand der Düsenöffnung zur Arbeitsebene bestimmt wird. Konstruktiv wird die Relativbewegung beispielsweise dadurch erreicht, dass die Vorrichtung eine Bauplattform aufweist, deren Oberfläche parallel zu der Ebene in x- und y-Richtung ist und die Bauplattform in z-Richtung mittels eines Antriebs, beispielsweise eines elektrischen Linearantriebs bewegbar ist. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Druckkopf an einem Roboterarm befestigt, der sowohl die Bewegung in der Ebene in x- und y-Richtung als auch in z-Richtung erlaubt. Ferner kann der Druckkopf an einem höhenverstellbaren Portal in x- und Z-Richtung bewegbar sein, während mittels der Bauplattform das herzustellende Werkstück in y-Richtung bewegbar ist.To build up the workpiece in layers, it is necessary for the nozzle and the working plane to be movable relative to one another in a z-direction perpendicular to the plane in the x and y directions. The working plane is the surface on which the respective layer is deposited. The relative movement in the z-direction takes place in each case by the layer thickness of the layers to be applied, which is determined by the distance between the nozzle opening and the working plane. Structurally, the relative movement is achieved, for example, in that the device has a building platform, the surface of which is parallel to the plane in the x and y directions and the building platform can be moved in the z direction by means of a drive, for example an electric linear drive. In another embodiment of the invention, the print head is attached to a robot arm which allows movement in the plane in the x and y directions as well as in the z direction. Furthermore, the print head can be moved in the x and Z directions on a height-adjustable portal, while the workpiece to be produced can be moved in the y direction by means of the construction platform.

Die Größe und Form der Heizfläche sowie deren Abstand zu der Düsenöffnung ist derart zu bestimmen, dass die Heizfläche mit einem Teilbereich der Oberfläche der zuvor aufgebrachten Schicht, der Fügezone in Kontakt bringbar ist. Der Abstand der Heizfläche zu der Düsenöffnung entspricht grundsätzlich der gewünschten Schichtdicke der aufzubringenden Schicht. Der Abstand der Heizfläche zu der Düsenöffnung kann jedoch auch geringfügig größer als die gewünschte Schichtdicke der aufzubringenden Schicht sein, wodurch die zuvor aufgebrachte Schicht im Fügebereich nicht nur erhitzt, sondern zusätzlich durch die Heizfläche komprimiert wird. Durch die Kompression werden die Eigenschaften des hergestellten Werkstücks verbessert. Stränge des schmelzfähigen Materials werden vielfach mit der Breite der Düsenöffnung ausgetragen. Durch Wahl der Prozessparameter ist es jedoch auch möglich, Stränge mit einer größeren Breite als dem Durchmesser der Düsenöffnung auszutragen. Um weitgehend unabhängig von der Bewegungssteuerung des Druckkopfs Kollisionen mit einem benachbarten Strang der aufzubringenden Schicht zu vermeiden, ist die maximale Breite der Heizfläche vorzugsweise kleiner oder gleich dem Durchmesser der kreisförmigen Düsenöffnung. The size and shape of the heating surface and its distance from the nozzle opening is to be determined in such a way that the heating surface can be brought into contact with a partial area of the surface of the previously applied layer, the joining zone. The distance between the heating surface and the nozzle opening basically corresponds to the desired layer thickness of the layer to be applied. The distance between the heating surface and the nozzle opening can, however, also be slightly greater than the desired layer thickness of the layer to be applied, so that the previously applied layer is not only heated in the joint area, but also compressed by the heating surface. The compression improves the properties of the workpiece produced. Strands of the meltable material are often discharged with the width of the nozzle opening. By choosing the process parameters, however, it is also possible to discharge strands with a greater width than the diameter of the nozzle opening. In order to avoid collisions with an adjacent strand of the layer to be applied largely independently of the movement control of the print head, the maximum width of the heating surface is preferably less than or equal to the diameter of the circular nozzle opening.

Um das Extrudieren des aufgeschmolzenen Materials aus der Düsenöffnung nicht durch die Heizfläche zu beeinträchtigen wird die Form der Heizfläche derart bestimmt, dass eine Projektion der Düsenöffnung in die Ebene der Heizfläche sich nicht mit der Heizfläche überschneidet. Die Projektion der Düsenöffnung in die Ebene der Heizfläche wird dabei durch eine Parallelverschiebung in Richtung der Düsenlängsachse erzeugt.In order not to impair the extrusion of the molten material from the nozzle opening through the heating surface, the shape of the heating surface is determined in such a way that a projection of the nozzle opening into the plane of the heating surface does not overlap with the heating surface. The projection of the nozzle opening into the plane of the heating surface is generated by a parallel shift in the direction of the longitudinal axis of the nozzle.

Wenn ein Kreissegment der kreisförmigen Düsenöffnung in der Projektion unmittelbar an eine von zwei Schmalseiten der Heizfläche angrenzt, wird durch die Konturanpassung die Fügezone besonders gleichmäßig erwärmt.If a segment of a circle of the circular nozzle opening is directly adjacent to one of two narrow sides of the heating surface in the projection, the joining zone is heated particularly evenly by adapting the contour.

Die Düsenkörper der Düsen von Vorrichtungen zum Herstellen von Werkstücken im Schmelzschichtverfahren weisen üblicherweise eine sich konisch in Richtung der Düsenöffnung verjüngende Düsenspitze auf. Im Interesse möglichst geringer baulicher Änderungen der Vorrichtung wird daher diese Düsengeometrie vorzugsweise beibehalten. Eine gute wärmeleitende Anbindung der Heizfläche an die Düse wird bei dieser Düsengeometrie dadurch erreicht, dass an dem Konus der Düsenspitze eine die Heizfläche aufweisende Nase angeformt ist. Vorzugsweise wird die Nase als integraler Bestandteil des Düsenkörpers aus demselben Material ausgestaltet. Der Verzicht auf Verbindungsteile zwischen Nase und Düsenkörper trägt zu der ungestörten Wärmeleitung durch den Düsenkörper in die Heizfläche bei.The nozzle bodies of the nozzles of devices for manufacturing workpieces in the melt layer process usually have a nozzle tip which tapers conically in the direction of the nozzle opening. In the interest of the smallest possible structural changes to the device, this nozzle geometry is therefore preferably retained. With this nozzle geometry, a good heat-conducting connection of the heating surface to the nozzle is achieved in that a nose having the heating surface is molded onto the cone of the nozzle tip. The nose is preferably designed as an integral part of the nozzle body from the same material. The absence of connecting parts between the nose and the nozzle body contributes to the undisturbed conduction of heat through the nozzle body into the heating surface.

Im Interesse einer guten Wärmeleitfähigkeit bestehen der Düsenkörper und die Heizfläche aus einem Metall, insbesondere Messing, gehärtetem Stahl oder Edelstahl. Gehärteter Stahl kommt insbesondere zum Einsatz, wenn das schmelzfähige Material abrasive Eigenschaften aufweist.In the interests of good thermal conductivity, the nozzle body and the heating surface are made of a metal, in particular brass, hardened steel or stainless steel. Hardened steel is used in particular when the meltable material has abrasive properties.

Die zweite Lösung beruht auf dem Gedanken, die Anbindung an die zuvor aufgebrachte Schicht durch Vergrößerung der Kontaktfläche zu verbessern. Die Oberflächenvergrößerung wird durch das Einbringen einer Oberflächenstruktur in jede noch nicht ausgehärtete Schicht während des Aufbringens der Schicht erreicht. Die Oberflächenstruktur kann besonders einfach dadurch eingebracht werden, dass die Vorrichtung zum Herstellen von Werkstücken im Schmelzschichtverfahren eine beheizte Düse mit Mitteln zur Oberflächenstrukturierung aufweist.The second solution is based on the idea of improving the connection to the previously applied layer by increasing the contact area. The increase in surface area is achieved by introducing a surface structure into each layer that has not yet hardened during the application of the layer. The surface structure can be introduced in a particularly simple manner in that the device for producing workpieces in the melt layer process has a heated nozzle with means for surface structuring.

Die Düsenöffnung der Düse mündet in einer ebenen Fläche an der Unterseite der Düse, die bei Bewegung der Düse in der Ebene in x- und y-Richtung parallel zu der Ebene liegt. Entlang des Randes der Düsenöffnung ist ein Vorsprung angeordnet, dessen maximale Erstreckung von der Unterseite in Düsenlängsrichtung kleiner als eine Schichtdicke der aufzubringenden Schichten ist. Der Vorsprung bringt die Oberflächenstruktur in das aufgeschmolzene, noch nicht ausgehärtete Material ein.The nozzle opening of the nozzle opens into a flat surface on the underside of the nozzle which, when the nozzle moves in the plane, lies parallel to the plane in the x and y directions. A projection is arranged along the edge of the nozzle opening, the maximum extent of which from the underside in the longitudinal direction of the nozzle is less than a layer thickness of the layers to be applied. The projection brings the surface structure into the melted, not yet hardened material.

In einer konstruktiv vorteilhaften Ausführung ist der Vorsprung ringförmig, insbesondere als an die Düsenöffnung anschließender Kreiszylinder mit einer Wandstärke ausgeführt, die mindestens um den Faktor 3 kleiner als der Durchmesser der Düsenöffnung ist.In a structurally advantageous embodiment, the projection is ring-shaped, in particular as a circular cylinder adjoining the nozzle opening with a wall thickness that is at least 3 times smaller than the diameter of the nozzle opening.

Nachfolgend wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen

1a eine Seitenansicht einer Düse mit Heizfläche,
1b eine perspektivische Ansicht der Düse nach 1a,
1c eine Unteransicht der Düse nach 1a,
2a eine Seitenansicht einer Düse mit Vorsprung,
2b eine perspektivische Ansicht der Düse nach 2a,
2c eine Unteransicht der Düse nach 2a,
3a eine schematische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen von Werkstücken im Schmelzschichtverfahren,
3b eine schematische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen von Werkstücken im Schmelzschichtverfahren,
3c eine schematische Ansicht einer dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen von Werkstücken im Schmelzschichtverfahren,

The invention is explained in more detail below. Show it

1a a side view of a nozzle with heating surface,
1b a perspective view of the nozzle according to 1a ,
1c a bottom view of the nozzle after 1a ,
2a a side view of a nozzle with a projection,
2 B a perspective view of the nozzle according to 2a ,
2c a bottom view of the nozzle after 2a ,
3a a schematic view of a first device according to the invention for manufacturing workpieces in the melt layer process,
3b a schematic view of a second device according to the invention for manufacturing workpieces in the melt layer process,
3c a schematic view of a third device according to the invention for manufacturing workpieces in the melt layer process,

Die Vorrichtung nach 3a, 3b, 3c zum Herstellen von Werkstücken im Schmelzschichtverfahren entspricht weitgehend dem üblichen Aufbau von FDM-3D-Druckern. Das schmelzfähige Material wird als Filament 23 von einer Filamentspule 24 abgezogen. Der Materialeinzug erfolgt durch gegensinnig umlaufende Rollen 25 im Druckkopf 3, von denen wenigstens eine Rolle 25 angetrieben ist. Der Druckkopf 3 ist mittels eines Schlittens in einer Ebene 8 in x- und y-Richtung verfahrbar. Der Aufbau der Schichten 26 des Werkstücks erfolgt auf einer unterhalb des Druckkopfs 3 angeordneten Bauplattform 19, deren Oberfläche parallel zu der Ebene 8 in x- und y-Richtung ist. Die Bauplattform 19 ist in z-Richtung 20, das heißt senkrecht zu der Ebene 8 mittels eines Antriebs bewegbar. Die Schrittweite der Bewegung entspricht der Schichtdicke der nacheinander aufzubringenden Schichten 26 des herzustellenden Werkstücks.The device according to 3a , 3b , 3c for the production of workpieces in the melt layer process largely corresponds to the usual structure of FDM 3D printers. The meltable material is drawn off as filament 23 from a filament spool 24. The material is drawn in by rollers 25 rotating in opposite directions in the print head 3, of which at least one roller 25 is driven. The print head 3 can be moved in a plane 8 in the x and y directions by means of a carriage. The layers 26 of the workpiece are built up on a building platform 19 arranged below the print head 3, the surface of which is parallel to the plane 8 in the x and y directions. The building platform 19 can be moved in the z direction 20, that is to say perpendicular to the plane 8, by means of a drive. The step size of the movement corresponds to the layer thickness of the layers 26 to be applied one after the other of the workpiece to be produced.

In den Druckkopf 3 ist in der ersten Lösung der Erfindung eine beheizte Düse 1 mit einem Düsenkörper 2 aus wärmeleitendem Material, beispielsweise Kupfer, zum extrudieren des schmelzfähigen Materials angeordnet (vgl. 1b). Die Düse 1 ist in den Vorrichtungen nach 3a, 3b, 3c, drehbar um die Düsenlängsachse 1.1 mittels eines Drehantriebs 5 drehbar gelagert.In the first solution of the invention, a heated nozzle 1 with a nozzle body 2 made of thermally conductive material, for example copper, for extruding the meltable material is arranged in the print head 3 (cf. 1b) . The nozzle 1 is in the devices according to 3a , 3b , 3c , rotatably mounted around the nozzle longitudinal axis 1.1 by means of a rotary drive 5.

Die Düse 1 kann, wie in 3a gezeigt, in dem Druckkopf 3 der Vorrichtung drehbar um die Düsenlängsachse 1.1 gelagert sein. Der Drehantrieb 5 ist in dieser Ausführungsform der Vorrichtung zwischen Düse 1 und einem Heizblock 16 des Druckkopfs 3 wirksam.The nozzle 1 can, as in 3a shown, be mounted in the print head 3 of the device rotatably about the nozzle longitudinal axis 1.1. In this embodiment of the device, the rotary drive 5 is effective between the nozzle 1 and a heating block 16 of the print head 3.

In der Ausführungsform der Vorrichtung nach 3b ist die Düse ebenfalls in dem Druckkopf 3 der Vorrichtung drehbar um die Düsenlängsachse 1.1 gelagert. Der Drehantrieb 5 ist in dieser Ausführungsform der Vorrichtung jedoch zwischen einem Kühlkörper 18 und einem Hitzeunterbrecher 17 des Druckkopfs 3 wirksam.In the embodiment of the device according to 3b the nozzle is also rotatably mounted in the print head 3 of the device about the nozzle longitudinal axis 1.1. In this embodiment of the device, however, the rotary drive 5 is effective between a heat sink 18 and a heat interrupter 17 of the print head 3.

Der Druckkopf 3 ist in den Ausführungsformen nach 3a, 3b an dem Schlitten befestigt, der den Druckkopf 3 in der Ebene 8 in x- und y-Richtung bewegt.The print head 3 is in the embodiments according to 3a , 3b attached to the carriage which moves the print head 3 in the plane 8 in the x and y directions.

In einer weiteren, in 3c dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Düse 1 drehfest in dem Druckkopf 3 angeordnet und zusammen mit dem Druckkopf 3 drehbar um die Düsenlängsachse 1.1 gelagert. In diesem Fall ist der Drehantrieb 5 zwischen dem Schlitten zur Bewegung des Druckkopfs 3 in der Ebene 8 und dem Druckkopf 3 wirksam.In another, in 3c The illustrated embodiment of the device, the nozzle 1 is rotatably arranged in the print head 3 and rotatably mounted together with the print head 3 about the nozzle longitudinal axis 1.1. In this case, the rotary drive 5 is effective between the carriage for moving the print head 3 in the plane 8 and the print head 3.

Durch den Düsenkörper 2 der Düse 1 erstreckt sich entlang der Düsenlängsachse 1.1 ein Durchgang 4 für das schmelzfähige Material (vgl. 3a, 3b, 3c).A passage 4 for the meltable material extends through the nozzle body 2 of the nozzle 1 along the nozzle longitudinal axis 1.1 (cf. 3a , 3b , 3c ).

Der Durchgang 4 mündet an einer Unterseite 6 der Düse 1 in einer Düsenöffnung 7 (1a, 1b, 1c). Sowohl der Durchgang 4 als auch die Düsenöffnung 7 weisen einen kreisrunden Querschnitt auf. Die Düse 1 weist eine sich konisch in Richtung der Düsenöffnung 7 verjüngende Düsenspitze 9 auf. An dem Konus 10 der Düsenspitze ist eine Nase 11 angeformt. Die Nase 11 verfügt über eine Heizfläche 12, die mit einem Teilbereich einer Oberfläche einer zuvor aufgebrachten Schicht des schmelzfähigen Materials, der Fügezone, während des Aufbringens einer nächsten Schicht in Kontakt bringbar ist. Mittels des Drehantriebs 5 lässt sich die Düse 1 um die Düsenlängsachse 1.1 stets in eine Drehlage drehen, in der die Heizfläche 12 in Bewegungsrichtung der Düse 1 vor der Düsenöffnung 7 liegt.The passage 4 opens on an underside 6 of the nozzle 1 in a nozzle opening 7 ( 1a , 1b , 1c ). Both the passage 4 and the nozzle opening 7 have a circular cross section. The nozzle 1 has a nozzle tip 9 which tapers conically in the direction of the nozzle opening 7. A nose 11 is formed on the cone 10 of the nozzle tip. The nose 11 has a heating surface 12 which can be brought into contact with a partial area of a surface of a previously applied layer of the meltable material, the joining zone, during the application of a next layer. By means of the rotary drive 5, the nozzle 1 can always be rotated about the nozzle longitudinal axis 1.1 into a rotational position in which the heating surface 12 lies in front of the nozzle opening 7 in the direction of movement of the nozzle 1.

Aus der 1c ist erkennbar, dass die Breite 13 der Heizfläche 12 dem Durchmesser der Düsenöffnung 7 entspricht. Weiter ist erkennbar, dass die Projektion der Düsenöffnung 7 in die Ebene der Heizfläche 12 sich nicht mit der Heizfläche 12 überschneidet. Ein Kreissegment der kreisförmigen Düsenöffnung 7 grenzt unmittelbar an die 1c rechte Schmalseite 12.1 der Heizfläche 12 an. Die Schmalseite 12.1 der Heizfläche 12 begrenzt ein Kreisbogen mit gleichem Radius wie die Düsenöffnung 7. Die gegenüberliegende Schmalseite 12.2 begrenzt eine gerade verlaufende, die Längsseiten der Heizfläche 12 verbindende Linie. Durch diese Geometrie der Heizfläche 12 wird ein besonders gleichmäßiger Wärmeeintrag in die zuvor aufgebrachte Schicht gewährleistet.From the 1c it can be seen that the width 13 of the heating surface 12 corresponds to the diameter of the nozzle opening 7. It can also be seen that the The projection of the nozzle opening 7 into the plane of the heating surface 12 does not overlap with the heating surface 12. A segment of a circle of the circular nozzle opening 7 is directly adjacent to the 1c right narrow side 12.1 of the heating surface 12. The narrow side 12.1 of the heating surface 12 delimits an arc with the same radius as the nozzle opening 7. The opposite narrow side 12.2 delimits a straight line connecting the long sides of the heating surface 12. This geometry of the heating surface 12 ensures a particularly uniform introduction of heat into the previously applied layer.

Der Düsenspitze 9 gegenüberliegend befindet sich ein Außengewinde 14, welches in ein Innengewinde des Heizblocks 15 aus gut wärmeleitendem Material eingeschraubt wird. Der Heizblock 15 wird über eine elektrisch betriebene Heizpatrone 16 erwärmt und überträgt die Wärme im Wege der Wärmeleitung auf den Düsenkörper 2 der Düse 1 und die Nase 11 mit der Heizfläche 12. Der Durchgang 4 verjüngt sich in Richtung der Düsenöffnung (7), die üblicherweise Durchmesser von 0,2, 0,3 oder 0,4 mm aufweist. Größere Durchmesser sind abhängig von dem herzustellenden Werkstück verfügbar. Von der anderen Seite wird in das Innengewinde des Heizblocks 15 der sogenannte Hitzeunterbrecher 17 (Heatbreak) mit einem kurzen Gewindestück eingeschraubt. Der Hitzeunterbrecher 17 verhindert, dass das Filament 23 noch vor Erreichen der Düse 1 aufschmilzt. An dem nicht in den Heizblock 15 eingeschraubten Gewinde des Hitzeunterbrechers 17 wird üblicherweise der Kühlkörper 18 montiert. Der Kühlkörper 18 dient dem Zweck, die über den Heizblock 15 eingebrachte Wärme der Heizpatrone 16 abzuführen.Opposite the nozzle tip 9 is an external thread 14 which is screwed into an internal thread of the heating block 15 made of a material that conducts heat well. The heating block 15 is heated by an electrically operated heating cartridge 16 and transfers the heat by way of heat conduction to the nozzle body 2 of the nozzle 1 and the nose 11 with the heating surface 12. The passage 4 tapers in the direction of the nozzle opening (7), which is usually Has a diameter of 0.2, 0.3 or 0.4 mm. Larger diameters are available depending on the workpiece to be manufactured. From the other side, the so-called heat breaker 17 (heat break) is screwed with a short threaded piece into the internal thread of the heating block 15. The heat interrupter 17 prevents the filament 23 from melting before it reaches the nozzle 1. The heat sink 18 is usually mounted on the thread of the heat interrupter 17 that is not screwed into the heating block 15. The purpose of the heat sink 18 is to dissipate the heat from the heating cartridge 16 introduced via the heating block 15.

Die Vorrichtung verfügt ferner über eine Steuerung für den Drehantrieb 5, die die Düse 1 um die Düsenlängsachse 1.1 stets in eine Drehlage dreht, in der die Heizfläche 12 in Bewegungsrichtung der Düse 1 vor der Düsenöffnung 7 liegt. Dies hat zur Folge, dass der Teilbereich der zuvor aufgebrachten Schicht, die Fügezone, nicht nur durch die Temperatur des aufgeschmolzenen Materials der nächsten Schicht, sondern zusätzlich durch die Heizfläche 12 erwärmt wird. Der Wärmeintrag in die Fügezone ist so groß, dass dort die Oberfläche der bereits gehärteten, zuvor aufgebrachten Schicht wieder aufschmilzt ohne die Formstabilität der bereits aufgebrachten Schicht zu gefährden.The device also has a control for the rotary drive 5, which always rotates the nozzle 1 about the nozzle longitudinal axis 1.1 into a rotational position in which the heating surface 12 lies in front of the nozzle opening 7 in the direction of movement of the nozzle 1. This has the consequence that the partial area of the previously applied layer, the joining zone, is not only heated by the temperature of the melted material of the next layer, but also by the heating surface 12. The heat input into the joining zone is so great that the surface of the already hardened, previously applied layer melts again there without endangering the dimensional stability of the already applied layer.

In den Druckkopf 3 ist in der zweiten Lösung der Erfindung die in 2a, 2b, 2c dargestellte Düse eingebaut. Der Aufbau der Vorrichtung entspricht weitgehend derjenigen nach 3a, 3b, 3c, so dass auf die obigen Erläuterungen Bezug genommen wird. Unterschiede ergeben sich lediglich insoweit als die Düse 1 nicht um die Düsenlängsachse 1.1 drehbar gelagert ist. Es bedarf daher keines Drehantriebs 5.In the printhead 3 is in the second solution of the invention in 2a , 2 B , 2c The nozzle shown is installed. The structure of the device largely corresponds to that according to 3a , 3b , 3c so that reference is made to the explanations above. Differences arise only insofar as the nozzle 1 is not rotatably mounted about the nozzle longitudinal axis 1.1. There is therefore no need for a rotary drive 5.

Die Teildarstellung der Düse nach 2a zeigt die Düsenspitze 9 mit dem Konus 10. Aus 2b, 2c ist erkennbar, dass die Düsenöffnung 7 in einer kreisförmigen ebenen Fläche 21 an der Unterseite 6 der Düse 1 mündet. Entlang des Randes der Düsenöffnung 7, jedoch im Abstand zu der Begrenzung der Düsenöffnung 7, ist ein ringförmiger Vorsprung 22 angeordnet. Die Erstreckung des Vorsprungs 22 in Richtung der Düsenlängsachse 1.1 ist deutlich kleiner als die Schichtdicke der aufzubringenden Schichten 26.The partial representation of the nozzle after 2a shows the nozzle tip 9 with the cone 10. Aus 2 B , 2c it can be seen that the nozzle opening 7 opens into a circular flat surface 21 on the underside 6 of the nozzle 1. An annular projection 22 is arranged along the edge of the nozzle opening 7, but at a distance from the boundary of the nozzle opening 7. The extension of the projection 22 in the direction of the nozzle longitudinal axis 1.1 is significantly smaller than the layer thickness of the layers 26 to be applied.

Der ringförmige Vorsprung 22 bringt in das noch nicht ausgehärtete schmelzfähige Material während des Aufbringens eine Oberflächenstruktur ein. Die Oberfläche weist nach dem Aushärten durch die Oberflächenstruktur eine größere Kontaktfläche zu der nachfolgend aufgebrachten Schicht auf, wodurch die Haftung gesteigert wird.The annular projection 22 introduces a surface structure into the not yet hardened meltable material during application. After curing, the surface structure has a larger contact area with the subsequently applied layer, as a result of which the adhesion is increased.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: Düsejet
1.11.1: DüsenlängsachseLongitudinal nozzle axis
22: DüsenkörperNozzle body
33: DruckkopfPrinthead
44th: DurchgangPassage
55: DrehantriebRotary drive
66th: Unterseitebottom
77th: DüsenöffnungNozzle opening
88th: Ebene in x- und y-RichtungPlane in x and y directions
99: DüsenspitzeNozzle tip
1010: Konuscone
1111th: Nasenose
1212th: HeizflächeHeating surface
12.112.1: SchmalseiteNarrow side
12.212.2: SchmalseiteNarrow side
1313th: maximale Breitemaximum width
1414th: Gewindethread
1515th: HeizblockHeating block
1616: HeizpatroneHeating cartridge
1717th: HitzeunterbrecherHeat breaker
1818th: KühlkörperHeat sink
1919th: BauplattformBuild platform
2020th: z-Richtungz-direction
2121: ebene Flächeflat surface
2222nd: ringförmiger Vorsprungannular projection
2323: FilamentFilament
2424: FilamentspuleFilament spool
2525th: Rollenroll
2626th: Schichtlayer

Claims

Apparatus for manufacturing workpieces in the melt layer process from several layers of a meltable material, comprising - a heated nozzle (1) with a nozzle body (2) made of thermally conductive material for extruding the meltable material, the nozzle (1) in a plane (8) in is movable in the x and / or y direction, - a passage (4) which extends through the nozzle body (2) of the nozzle (1) along a nozzle longitudinal axis (1.1) and which is located in a nozzle opening (7) on an underside (6) the nozzle (1) opens, the nozzle longitudinal axis (1.1) running in the z-direction (20) when the nozzle moves in the plane (8), characterized in that - with the nozzle body (2) of the nozzle (1) conducts heat a heating surface (12) is connected, - the size and shape of the heating surface (12) and its distance from the nozzle opening (7) in the nozzle longitudinal direction (1.1) is determined such that the heating surface (12) with a portion of the surface of a previously applied Layer (26) of the fusible ähigen material can be brought into contact during the application of a next layer (26) and - the nozzle (1) can be rotated about the nozzle longitudinal axis (1.1).

Device according to Claim 1 , characterized in that the nozzle (1) can be rotated about the nozzle longitudinal axis (1.1) by means of a rotary drive (5).

Device according to Claim 2 , characterized in that the device has a control set up to rotate the nozzle (1) around the nozzle longitudinal axis (1.1) by means of the rotary drive (5) into a rotational position in which the sub-area in contact with the heating surface (12) is in The direction of movement of the nozzle (1) is in front of the nozzle opening (7).

Device according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the nozzle (1) is mounted in a print head (3) of the device so as to be rotatable about the longitudinal axis (1.1) of the nozzle.

Device according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the nozzle (1) is arranged non-rotatably in a print head (3) and is rotatably mounted together with the print head (3) about the longitudinal axis (1.1) of the nozzle.

Device according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the device has a building platform (19), the surface of which is parallel to the plane (8) and the nozzle (1) and the building platform (19) can be moved relative to one another in the z-direction (20).

Device according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the nozzle opening (7) is circular.

Device according to Claim 7 , characterized in that the maximum width (13) of the heating surface (12) is smaller than or equal to the diameter of the nozzle opening (7).

Device according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that a projection of the nozzle opening (7) in the plane of the heating surface (12) does not overlap with the heating surface, the projection being generated by a parallel shift in the direction of the nozzle longitudinal axis (1.1).

Device according to Claim 9 , characterized in that a segment of a circle of the circular nozzle opening (7) directly adjoins one of two narrow sides (12.1, 12.2) of the heating surface (12) in the projection.

Device according to one of the Claims 1 until 10 , characterized in that the nozzle (1) has a nozzle tip (9) which tapers conically in the direction of the nozzle opening (7).

Device according to Claim 11 , characterized in that a nose (11) having the heating surface (12) is formed on the cone of the nozzle tip (9).

Device according to Claim 12 , characterized in that the nose (11) is designed as an integral part of the nozzle (1).

Device according to one of the Claims 1 until 13th , characterized in that the nozzle (1) and the heating surface (12) consist of a metal, in particular brass or hardened steel or stainless steel.

Apparatus for producing workpieces in the melt layer process from several layers of a meltable material, comprising - a heated nozzle (1) with a nozzle body (2) made of thermally conductive material for extruding the meltable material, the nozzle (1) in a plane (8) can be moved in the x- and / or y-direction, - a passage (4) extending through the nozzle body (2) of each nozzle (1) along a nozzle longitudinal axis (2.1), which in a nozzle opening (7) opens at an underside of the nozzle (1), the nozzle longitudinal axis (1.1) running in the z-direction when the nozzle moves in the plane (8), characterized in that - the nozzle opening (7) is in a flat surface (21) of the nozzle body (2) opens on the underside (6) of the nozzle (1), - and a projection (22) is arranged along the edge of the nozzle opening (7), the maximum extent of which is from the underside (6) in the longitudinal direction of the nozzle (1.1) is smaller than a layer thickness of the layers to be applied.

Device according to Claim 15 , characterized in that the projection (22) is annular.

Device according to Claim 16 , characterized in that the flat surface (21) is circular and the projection (22) is a circular cylinder arranged concentrically to the nozzle opening (7) and having a wall thickness, the wall thickness being less than the radius of the circular, flat surface (21) minus the radius of the nozzle opening (7).

Method for producing workpieces in the melt layer process from several layers of a meltable material, comprising the steps: - melting the meltable material, - Moving a heated nozzle (1) with a nozzle opening (7) in a plane (8) in the x and / or y direction and extruding the melted material to apply one of the several layers (26) on a working plane that is parallel to the plane (8) in the x- and y-direction, - cooling and hardening of the melted material of each applied layer (26), - Moving the working plane relative to the plane (8) in the z-direction (20) after the application of each layer (26), - Heating of a sub-area of a previously applied layer (26) of the meltable, cured material during the application of a next layer (26), the sub-area to be heated always being in the direction of movement in front of the nozzle opening (7) of the heated nozzle (1).

Procedure according to Claim 18 , characterized in that the heating takes place with a heating surface (12) which is arranged on the nozzle (1) and which is brought into contact with the partial area during application.

Method for producing workpieces in the melt layer process from several layers of a meltable material, comprising the steps: - melting the meltable material, - Moving a heated nozzle in a plane in the x and / or y direction and extruding the melted material to apply one of the multiple layers (26) on a working plane that is parallel to the plane (8) in x and y Direction is - cooling and hardening of the melted material of each applied layer (26), - Moving the working plane relative to the plane (8) in the z-direction (20) after the application of each layer (26), - Introducing a surface structure into the melted material while the layer is being applied.

Procedure according to Claim 20 , characterized in that the surface structure is introduced with a projection (22) arranged on the nozzle (1).