DE102011110804A1 - 3D-Druckkopf mit kühlbarem Beschickungskanal aus hochwärmeleitfähigem Material - Google Patents

Abstract

3D-Druckkopf mit verbessertem Temperaturverlauf im Beschickungskanal.

Description

• Drähte (Filament) zum dreidimensionalen Drucken nach dem FDM-Verfahren werden über einen Beschickungs-Kanal (Drahtzuführung) in eine Schmelzkammer geschoben, in der sie schmelzen und über eine Öffnung (Düse) austreten. Die ausgetretene Menge bildet das in Schichten zu druckende Objekt.
• Die Hersteller solcher Druckköpfe versuchen durch bauliche Maßnahmen den Wärmeübergang, der von der Schmelzkammer ausgeht, zu minimieren. Hierfür werden an den Verbindungspunkten von Schmelzkammer und Beschickungs-Kanal Materialien mit geringem Wärmeleitkoeffizient verwendet.
• Die zu diesem Zweck verwendeten Kunststoffe PTFE oder PEEK besitzen zudem einen geringen Reibwert, weshalb das Filament im Beschickungs-Kanal gut gleitet. Dies wurde bisher als Vorteil angesehen, da ein Filament, welchem nur geringe Reibung widerfährt, mit hoher Genauigkeit gefördert (Fördervolumen/Zeit) werden kann und nur geringen Widerstand auf die eigentliche Fördereinheit ausübt.
• In der Praxis zeigt sich jedoch, daß temperaturempfindliche Materialien (Filamente), gerade solche, die schon unterhalb von beispielsweise 50–70°C erweichen, nicht erst in der Schmelzkammer schmelzen, sondern schon innerhalb der Filament-Zuführung so viel Wärme aufnehmen, daß sie erweichen und wegen des Druckes beim Hineinschieben des Filamentes in den Beschickungs-Kanal gestaucht werden und dadurch aufbauchen (aufwölben), bevor sie in die eigentliche Schmelzkammer eingeschoben werden.
• Das Aufbauchen bedeutet, das Filament wird an die Wandung des Kanales gedrückt und erfährt dort eine stark erhöhte Reibung (erwärmtest bis geschmolzenes Filament gegen die Wandung) bis hin zur „Beinahe-Verklebung” mit dieser Wand.
• Ab diesem Moment ist keine exakte Förderung des Filamentes mehr möglich.
• Der zum Vorschub nötige Druck erhöht sich rapide, eine Blockage ist eingetreten. Die Fördereinheit versucht weiter zu fördern und zerstört den Draht, da sie von diesem Material abreibt.
• Abhilfe schafft erst die Entnahme des Filamentes, gefolgt durch die komplette Abkühlung des Extruderkopfes mit Beschickungs-Kanal und Neubeschickung mit ungestauchtem, Material auf Raumtemperatur.
• Fazit:
• Es erweist sich aber in der oben beschriebenen bisherigen Konstruktion als nachteilig, Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit zu verwenden, da diese die Wärme dennoch, wenn auch schlecht dorthin leiten, wo sie von Nachteil ist. Der Beschickungs-Kanal ist in der Folge schlecht kühlbar, er speichert eher noch die Wärme.
• Durch diese Art der Filament-Zuführung werden die Filamente in Zone 2, in der sie eigentlich nur leicht gleiten sollen, geradezu aufgeheizt.
• Dieser Vorgang wird bei geringem Vorschub des Filamentes auch noch befördert (lange Verweilzeit).
• Es wird hier zur Lösung dieser Probleme vorgeschlagen,
  den längsten Teil (Zonen 2 + 3) des Beschickungs-Kanales aus einem die Wärme gut leitenden Material zu fertigen und nur ein kleines Stück zur thermischen Trennung aus schlecht leitendem Material zu belassen. Diese neu gestaltete Zone kann nun schnell gekühlt werden.
• Das Filament hat deshalb bis kurz vor Eintritt in die Schmelzkammer immer noch Raumtemperatur. Eine vorzeitige Erweichung mit gefolgter Blockage wird erfolgreich vermieden.
• Auch wenn die Reibwerte von Alu oder Kupfer höher sind als zuvor verwendetes PTFE, dann wirkt sich dies nicht nachteilig aus, da der erhöhte Aufwand durch Reibungsverluste, das Filament in die Schmelzkammer zu schieben, vernachlässigbar ist (gemeint ist Reibung bei Raumtemperatur).
• Die dargestellten Temperaturprofile entlang der Ausdehnung des Filamentes im Beschickungskanal und folgender Schmelzkammer zeigen den erzielten Unterschied der Absenkung der Temperatur im kritischen Bereich 2 des Beschickungs-Kanales.
• In 2 erfolgt erst in der kurzen Zone 2a eine sprunghafte Anhebung der Temperatur, in 1 jedoch über die gesamte Zone 2.
• Die gedachte Strecke A-C beschreibt die Ausdehnung eines Beschickungs-Kanales, wobei die Strecken C-B und A-B gleich lang sein sollen und diese in zwei gedachte Teile halbieren.
• Die wichtigere Hälfte des Beschickungs-Kanales liegt entlang der Strecke A-C.
• Deren Wandungen sollen zu mehr als 60% ihrer Ausdehnung aus gut wärmeleitendem Material bestehen, optimaler Weise sogar zu mehr als 85%.
• Besteht die Hälfte B-C zu einem geringeren Teil oder gar nicht aus gut wärmeleitendem Material, so ist des für das Temperaturprofil unerheblich.
• In 3 ist entlang der Strecke BC eine thermische Barriere Tb3 aus einem schlecht Wärme leitendem Material eingezeichnet. Diese stört nicht die Ausprägung eines Temperaturprofiles ähnlich zu Fig. 2a, da diese Hälfte nicht mit Wärme der Schmelzkammer beaufschlagt wird. Beschreibung/Legende

  Fig. 1	Stand der Technik: 3D Druckkopf mit Beschickungskanal Tb1 aus schlecht wärmeleitendem Material, welches durch den darüber geschobenen Kühler C1 gekühlt wird
  Fig. 2	3D Druckkopf mit zweiteiligem Beschickungs-Kanal, der aus der Wärmebarriere Tb2 aus schlecht wärmeleitendem Material, sowie aus dem Kühler C2 aus gut wärmeleitendem Material besteht.
  Fig. 3	Alternative zur Anordnung in Fig. 2, Der Beschickungskanal ist 3-teilig: er besteht aus Tb3; C3; Tb4. Der Kühler C3 wird schmelzkammerseitig von der Wärmebarriere Tb4 begrenzt. Auf seiner anderen Seite wird das Filament durch Tb3 geführt, einem Stück Beschickungs-Kanal aus einem schlechten Wärmeleiter. Die Kühlstrecke C3 ist wahlweise beheizbar ausgeführt, um im Falle einer Blockage das Filament zwecks Entnahme erwärmen zu können. C3 kann über AIR zwangsgekühlt werden, kann aber auch mit einem Wasserkreislauf verbunden werden.
  Zone 1	Angedeuteter Temperaturverlauf innerhalb der Schmelzkammer. Das Filament hat Zieltemperatur = Schmelztemperatur.
  Zone 2	Das Material des Beschickungs-Kanales Tb1 hat soviel Wärme aus direktem Kontakt zur Schmelzkammer aufgenommen, daß sich das Filament in der Zone 2 schon stark erwärmen wird. Es ist Ziel der Erfindung, die Filament-Temperatur in diesem Bereich zu senken.
  Zone 3	Bereich der geringsten Temperatur des Filamentes.
  A	Endpunkt des Beschickungs-Kanales. Das Filament wird in die Schmelzkammer geschoben.
  B	Mittelpunkt einer gedachten Strecke A-C.
  C	Eingang des Beschickungs-Kanales. Das Filament wird hier dem Druckkopf zugeführt.
  T	Die Strecke A-T markiert die Ausdehnung einer thermischen Barriere zwischen Schmelzkammer und den gut wärmeleitenden Teilen des Beschickungs-Kanales.
  F	Filament, aufzuschmelzendes Druckmaterial
  K	Die gestrichelte Linie deutet die Ausmaße des Druckkopfes an.
  S	geschmolzenes Filament
  H	Heizeinheit zur Erwärmung der Schmelzkammer
  H2	Heizeinheit zur Erwärmung von C3
  O	zu druckendes Objekt
  Tb1	Beschickungs-Kanal nach dem Stand der Technik durchgehend als thermische Barriere aus schlecht die Wärme leitendem Material ausgebildet.
  Tb2	Thermische Barriere des Beschickungs-Kanales, in ihrer Ausdehnung 2a besonders kurz ausgeführt.
  Tb3	Thermische Barriere entlang der oberen Hälfte des Beschickungs-Kanales
  FU	Fördereinheit

Claims (5)

1. 3D-Druckkopf zum Aufschmelzen und schichtweise Ablegen von drahtförmigen Materialien und zugehöriger Draht, gekennzeichnet dadurch, daß dieser über mindestens einen Beschickungs-Kanal verfügt, der aus einer Anordnung von hochwärmeleitenden Materialien, wie vorzugsweise Aluminium, Kupfer, Stahl oder Graphit und gering wärmeleitenden Materialien wie vorzugsweise PTFE, PEEK besteht, wobei das zugeführte Druckmaterial (Filament) mit der Innenseite dieser Materialien gemeinsame Kontaktflächen besitzt.
2. Beschickungskanal nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dieser entlang der Beschickungskanal-Halbierenden A-B über eine Ausdehnung von mehr als 60%, optimaler Weise auf über 85% aus hochwärmeleitendem Material und auf weniger als 40%, optimaler Weise auf weniger als 15% aus schlecht wärmeleitendem Material besteht.
3. Beschickungskanal nach Anspruch 1–2, gekennzeichnet dadurch, daß dieser entlang der Strecke A-C über eine Ausdehnung von mehr als 80% optimaler Weise auf über 90% aus hochwärmeleitendem Material und auf weniger als 20%, optimaler Weise auf weniger als 10% aus schlecht wärmeleitendem Material besteht, wobei höhere Wärmeleitfähigkeit hier definiert wird beginnend bei Werten > 10 W/m·K, vorzugsweise eher Werte größer als 100 W/m·K, geringere Wärmeleitfähigkeit bei Werten < 9 W/m·K, vorzugsweise eher Werte kleiner als 0,5 W/m·K.
4. Beschickungskanal nach Anspruch 1–3, gekennzeichnet dadurch, daß dieser a) mittels Luft oder Wasser gekühlt wird, b) beheizbar ausgeführt ist und c) über einen Temperatursensor verfügt.
5. Beschickungskanal nach Anspruch 1–4, gekennzeichnet dadurch, daß dieser entlang der Strecke A-C über eine Ausdehnung von weniger als 10 mm, vorzugsweise zwischen 1–5 mm, aus schlecht wärmeleitendem Material besteht.

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