DE202014103023U1

DE202014103023U1 - Extruderanordnung für einen 3D-Drucker

Info

Publication number: DE202014103023U1
Application number: DE202014103023.9U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2014-08-08
Anticipated expiration: 2024-07-03

Abstract

Extruderanordnung (1) für einen 3D-Drucker umfassend ein Vorschubmodul für ein Filament, einen elektrischen Antrieb (5) für die Vorschubeinheit, ein Heizmodul zum Schmelzen des Filaments und eine Düse (12) für das Filament, wobei das Vorschubmodul ein an das Filament anlegbares Stützrad (4) und ein elektrisch betätigtes Zahnrad als ein Antriebsrad (3) vorsieht, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsrad (3) als Teil einer Schneckenradgetriebestufe realisiert ist, wobei mittels des elektrischen Antriebs (5) eine der Schneckenradgetriebestufe zugeordnete Schnecke (2) angetrieben ist und das Antriebsrad (3) von der Schnecke (2) angetrieben ist und wobei eine der Schnecke (2) zugeordnete erste Drehachse (6) senkrecht zu einer dem Antriebsrad (3) zugeordneten zweiten Drehachse (7) orientiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Extruderanordnung für einen 3D-Drucker umfassend ein Vorschubmodul für ein Filament, einen elektrischen Antrieb für die Vorschubeinheit, ein Heizmodul zum Schmelzen des Filaments und eine Düse für das Filament, wobei das Vorschubmodul ein an das Filament anlegbares Stützrad und ein elektrisch betätigtes Zahnrad als ein Antriebsrad vorsieht.
3D-Drucker werden in zunehmendem Maße zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten, beispielsweise im Prototypenbau, verwendet. Die mithilfe des 3D-Druckers erzeugten Objekte dienen dabei beispielsweise als maßstäbliche Geometriemuster. Abhängig vom jeweils verwendeten Material können darüber hinaus Funktionsprototypen mit dem 3D-Drucker erzeugt werden. Gemein ist den 3D-Druckern, dass aus einem vorzugsweise kontinuierlich zugeführten Formwerkstoff, dem sogenannten Filament, das dreidimensionale Objekt geformt wird, indem das Filament aufgeschmolzen wird und zur Formung des Objekts im aufgeschmolzenen Zustand durch eine Düse gepresst wird. Die Düse, ein Heizmodul zum Schmelzen des Filaments und ein Vorschubmodul für das Filament sind dabei an einem beweglich gehaltenen Kopf des 3D-Druckers, der Extruderanordnung, vorgesehen. Der Vorschub des Filaments wird dabei regelmäßig über ein Stirnradgetriebe bereitgestellt. In der Regel wird auf diese Weise ein drahtförmiges Filament während des Drucks beziehungsweise der Herstellung des dreidimensionalen Objekts kontinuierlich in Richtung der Düse gefördert. Der durch das Vorschubmodul aufgebaute Druck reicht darüber hinaus aus, um das aufgeschmolzene Filament durch die Düse zu pressen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Extruderanordnung derart weiterzubilden, dass der Vorschub für das Filament verbessert und die Druckleistung erhöht wird.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsrad als Teil einer Schneckenradgetriebestufe realisiert ist, wobei mittels des elektrischen Antriebs eine der Schneckenradgetriebestufe zugeordnete Schnecke angetrieben ist und das Antriebsrad von der Schnecke angetrieben ist und wobei eine der Schnecke zugeordnete erste Drehachse senkrecht zu einer dem Antriebsrad zugeordneten zweiten Drehachse orientiert ist.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch das Vorsehen der Schneckenradgetriebestufe ein sehr großes Übersetzungsverhältnis realisiert werden kann. Insofern kann mit einer einzigen Getriebestufe die vergleichsweise hohe Drehzahl des elektrischen Antriebs so gewandelt werden, dass ein Filamentdraht in probater Weise der Düse zugeführt wird. Beispielsweise kann als elektrischer Antrieb ein kleiner Schrittmotor vorgesehen werden. Hierdurch ist es möglich, die Zuführung des Filaments besonders präzise zu realisieren. Die Schneckenradgetriebestufe ist darüber hinaus mit einem geringen Umkehrspiel behaftet. Dies bietet Vorzüge bei einem Rücktransport des Filaments gegen eine Förderrichtung. Ist die Schneckenradgetriebestufe einstufig realisiert, ergibt sich überdies eine besonders kompakte Bauform und ein geringes Gewicht. Infolge eines permanenten, gleichmäßigen Vorschubs für das Filament ergeben sich ein konstanter Druck und ein schneller Druckaufbau. Die erfindungsgemäße Extruderanordnung kann dabei an verschiedenen 3D-Druckern installiert werden. Die Schneckenradgetriebestufe kann darüber hinaus selbsthemmend ausgeführt sein, sodass einem unbeabsichtigten Rückzug des Filaments bei einem Deaktivieren des elektrischen Antriebs vorgebeugt ist. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von temporär betätigten Schrittmotoren von Vorteil. Die Schneckenradgetriebestufe ist überdies verschleißarm und wartungsarm. Sie bietet eine sehr gute Positionierbarkeit infolge der hohen Übersetzung.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Stützrad für das Filament nach Art eines Reibrads ausgebildet. Insbesondere ist das Stützrad ohne Verzahnung realisiert. Das Stützrad kann beispielsweise eine Profilierung aufweisen. Vorteilhaft kann das Stützrad als Reibrad sehr kostengünstig ausgeführt werden. Durch die Profilierung kann der Vorschub des Filaments begünstigt werden. Zudem ist das Stützrad in seiner Ausführung als Reibrad sehr kostengünstig herzustellen.
Um eine kontinuierliche Anlage des Stützrads an dem Filament zu bewirken, ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Stützrad verstellbar in Bezug zum Antriebsrad gehalten ist. Insbesondere ist ein Verstellhebel vorgesehen zum verschwenkbaren Anordnen des Stützrads. Über ein dem Verstellhebel beziehungsweise dem Stützrad zugeordnetes Verstellmittel kann eine Einstellung einer Schwenkposition des Verstellhebels realisiert werden. Beispielsweise ist als Verstellmittel eine Feder vorgesehen, durch die der Verstellhebel vorgespannt und das Stützrad gegen das Filament gedrückt wird. Beispielsweise ist als Verstellmittel eine Schraube vorgesehen, über die die Schwenkposition des Verstellhebels eingestellt wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung greifen Zähne des Antriebsrads in das Filament ein und treiben dies so in die Förderrichtung an. Indem der Antrieb des Filaments formschlüssig über die Zähne erfolgt, wird ein gleichmäßiger Vorschub des Filaments unterstützt und ein gleichmäßiger und schneller Aufbau eines Drucks begünstigt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die erste Drehachse, welche der Schnecke zugeordnet ist, in die Förderrichtung des Filaments erstreckt. Die dem Antriebsrad zugeordnete zweite Drehachse und die dem Stützrad zugeordnete dritte Drehachse sind demgegenüber um 90° geschwenkt zu der ersten Drehachse beziehungsweise zu der Förderrichtung orientiert. Vorteilhaft kann durch die geometrische Anordnung ein sehr kompakter Aufbau der Extruderanordnung erreicht werden. Infolge des kompakten Aufbaus ist das Massenträgheitsmoment für die Extruderanordnung gering, sodass eine Positionierung derselben in einem Arbeitsraum des 3D-Druckers schnell und exakt erfolgen kann. Infolge der guten dynamischen Eigenschaften kann das dreidimensionale Objekt besonders schnell hergestellt und die Wirtschaftlichkeit des 3D-Druckers mit der erfindungsgemäßen Extruderanordnung verbessert werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Düse für das Filament eine rechteckige Öffnung auf. Insbesondere ist die Öffnung der Düse quadratisch ausgebildet. Eine Breite der Düse liegt im Bereich von 0,2 mm bis 0,6 mm. Eine senkrecht zu der Breite bestimmte Höhe der Öffnung liegt ebenfalls im Bereich von 0,2 mm bis 0,6 mm. Vorteilhaft kann durch die rechteckige Öffnung der Düse bewirkt werden, dass übereinanderliegende Schichten des dreidimensionalen gedruckten Objekts sauber miteinander verbunden sind. Eine Oberfläche des dreidimensionalen Objekts erscheint aus diesem Grund vorteilhaft glatt. Die rechteckige Form der Düse kann unabhängig von der Ausgestaltung des Vorschubmoduls realisiert sein. Insbesondere kann die rechteckige Düse zusammen mit einem klassischen Filament-Vorschub vorgesehen werden.
Das mittels der Extruderanordnung zugeführte Filament umfasst eine Kunststoffbasis. Zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit beziehungsweise zur gezielten Beeinflussung seiner physikalischen Eigenschaften können in den Kunststoff Aluminium oder andere Metallelemente, Glasperlen, Kohlefasern beziehungsweise Carbonpulver eingearbeitet werden. Insbesondere kann sich hierdurch die Stabilität des Filaments verbessern. Insbesondere werden ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), PLA (Polylactide), PVA (Polyvinylacetat), Nylon (Polyamid) oder PVC (Polyvinylchlorid) als Kunststoff für das Filament verwendet. Das Filament wird insbesondere in Drahtform realisiert. Das Vorschubmodul kann vorgesehen sein zum Fördern des Filaments aus einem Vorrat, beispielsweise einer Spule, zum Zuführen des Filaments zu dem Heizmodul und der Düse und zum Pressen des aufgeschmolzenen Filaments durch die Düse. Das Filament kann ebenfalls in konventionellen Extruderanordnungen mit einem konzentrischen Filament-Vorschub oder einer Düse mit kreisförmiger Öffnung vorgesehen beziehungsweise verwendet werden.
Aus den weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung zu entnehmen. Dort erwähnte Merkmale können jeweils einzeln für sich oder auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Die Zeichnungen dienen lediglich beispielhaft der Klarstellung der Erfindung und haben keinen einschränkenden Charakter.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Extruderanordnung mit einer Schneckenradgetriebestufe,
2 eine Schnittdarstellung der Extruderanordnung nach 1,
3 eine Schnittdarstellung durch eine Düse der Extruderanordnung nach 1,
4 eine Frontansicht des Bereichs X nach 3 und
5 eine Schnittansicht eines Wärmeentkopplers der Extruderanordnung nach 1.
Eine erfindungsgemäße Extruderanordnung 1 nach den 1 und 2 wird insbesondere in 3D-Druckern eingesetzt, um ein Filament zur Herstellung dreidimensionaler Objekte zu fördern, aufzuschmelzen und in Form zu spritzen. Die mithilfe der Extruderanordnung 1 geformten dreidimensionalen Objekte dienen insbesondere als Geometrie- beziehungsweise Funktionsprototyp. Als wesentliche Komponenten umfasst die Extruderanordnung 1 einen elektrischen Antrieb 5, ein Vorschubmodul für einen Filamentdraht mit einem als Zahnrad ausgebildeten Antriebsrad 3, einer das Antriebsrad 3 antreibenden Schnecke 2 und einem als Reibrad realisierten Stützrad 4, einen Heizblock 14 zum Aufschmelzen des Filaments und einer Düse 12. Zwischen dem Heizblock 14 und der Düse 12 ist zudem ein Wärmeentkoppler 16 vorgesehen, welcher über ein Halteblech 15 und zwei Halteschrauben 19 an einem das Vorschubmodul aufnehmenden Gehäuse 17 der Extruderanordnung 1 festgelegt ist. Der Wärmeentkoppler 16 dient dazu, einer Übertragung von Wärme von dem Heizblock 14 auf das Gehäuse 17 beziehungsweise das Vorschubmodul und den elektrischen Antrieb 5 entgegenzuwirken.
Das Stützrad 4 ist über einen Verstellhebel 9 drehbar in Bezug auf eine Schwenkachse 11 der Extruderanordnung 1 gehalten. Der Verstellhebel 9 kann über eine als Verstellmittel wirkende Schraube 10 positioniert werden. Insbesondere kann ein Abstand zwischen dem Stützrad 4 und dem Antriebsrad 3 des Vorschubmoduls durch eine Betätigung der Schraube 10 variiert werden. Durch Drehung der Schraube 10 um eine Längsachse derselben wird diese in eine Verstellrichtung 21 längsverschoben und verschiebt den Verstellhebel 9 um die Schwenkachse 11.
Das Antriebsrad 3 wird betätigt, indem der elektrische Antrieb 5 die Schnecke 2 rotatorisch antreibt. Die Schnecke 2 und das Antriebsrad 3 kämmen so miteinander, dass die Rotationsbewegung der Schnecke 2 auf das Antriebsrad 3 übertragen wird. Die Schnecke 2 rotiert dabei um eine erste Drehachse 6. Die Rotation des Antriebsrads 3 erfolgt um eine zweite Drehachse 7, welche senkrecht zu der ersten Drehachse 6 orientiert ist. Das Stützrad 4 rotiert um eine zu der zweiten Drehachse 7 parallele dritte Drehachse 8. Der elektrische Antrieb 5 ist insbesondere nach Art eines Schrittmotors realisiert.
Um mittels der erfindungsgemäßen Extruderanordnung 1 einen nicht dargestellten Filamentdraht in eine Förderrichtung 20 zu fördern, erfolgt der Vorschub durch Rotation des Antriebsrads 3 im Gegenuhrzeigersinn. Das Antriebsrad 3 sowie das Stützrad 4 liegen mantelseitig an dem Filament an und fördern dies in Richtung der Düse 12. Das Antriebsrad 3 ist vorliegend nach Art eines Zahnrads ausgebildet. Die Zahnung ist insbesondere so vorgesehen, dass das Antriebsrad 3 mit der Schnecke 2 kämmt und die Drehung der Schnecke 2 um die erste Drehachse 6 in eine Rotation des Antriebsrads 3 um die zweite Drehachse 7 umgesetzt wird. Das Stützrad 4 ist vorliegend nach Art eines Reibrads verzahnungsfrei ausgeführt. Mantelseitig kann an dem Stützrad 4 eine Profilierung vorgesehen sein. Zum Fördern des Filaments können Zähne des Antriebsrads 3 in das Filament eingreifen beziehungsweise dieses elastisch beziehungsweise plastisch verformen.
Die Düse 12 sieht stirnseitig eine Öffnung 13 vor. Durch die Öffnung 13 wird das Filament nach dem Aufschmelzen desselben durch den Heizblock 14 gepresst zur Formung des dreidimensionalen Objekts. Um eine unzulässige Übertragung von Wärme des Heizblocks 14 auf das Gehäuse 17 und die hierin vorgesehenen Funktionskomponenten der Extruderanordnung 1 zu verhindern, ist der Wärmeentkoppler 16 zwischen dem Gehäuse 17 und dem Heizblock 14 vorgesehen. Der Wärmeentkoppler 16 ist insbesondere aus PFE oder einem anderen geeigneten Fluorkunststoff hergestellt. Die Düse 12 wird bevorzugt aus Aluminium beziehungsweise Messing gefertigt. Der Heizblock 14 besteht vorzugsweise aus Messing. Das Halteblech 15 für den Wärmeentkoppler 16 ist beispielsweise aus einem rostfreien Stahl hergestellt.
Die Zuführung des Filaments zu dem Vorschubmodul erfolgt über eine an dem Gehäuse 17 vorgesehene Aussparung 29, welche an einer Oberseite des Gehäuses 17 benachbart zu dem elektrischen Antrieb 5 vorgesehen ist. Im Bereich der Aussparung 29 ist eine durch ein Blech realisierte Führung 18, an welcher eine Ausnehmung 32 für das Filament vorgesehen ist, montiert. Die Ausnehmung 32 für das Filament ist in der Geometrie auf eine Querabmessung des Filaments abgestimmt. An dem Gehäuse 17 ist weiter eine nach Art eines Langlochs ausgebildete Längsausnehmung 27 vorgesehen, welche in die Förderrichtung 20 orientiert ist. Die Position der Längsausnehmung 27 ist so gewählt, dass durch die Längsausnehmung 27 das in dem Vorschubmodul geführte Filament sichtbar ist.
Über das Vorschubmodul und eine an dem Wärmeentkoppler 16 vorgesehene Durchgangsöffnung 30 wird das Filament der Düse 12 zugeführt. In der Düse 12 wird das Filament über den Heizblock 14 aufgeschmolzen und durch die Öffnung 13 gepresst.
Die 3 und 4 zeigen eine Detailansicht der Düse 12. Die Düse 12 weist zum einen eine in die Förderrichtung 20 erstreckte Ausnehmung 31 für das Filament auf. An der Düse 12 ist des Weiteren ein Innengewinde 22 vorgesehen, welches zum Ansetzen der Düse 12 an den Wärmeentkoppler 16 dient. Des Weiteren ist ein Außengewinde 23 vorgesehen, über das die Düse 12 mit einem korrespondierend gestalteten Gewinde 24 des Heizblocks 14 verschraubt ist. Die Öffnung 13 der Düse 12 ist nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung quadratisch ausgebildet. Eine Breite 33 der Öffnung 13 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 0,4 mm. In gleicher Weise beträgt eine senkrecht hierzu bestimmte Höhe 34 der Öffnung 13 0,4 mm.
Der Wärmeentkoppler 16 weist gemäß 5 die bohrungsförmige Durchgangsöffnung 30 auf. Er sieht einen Hals 26 vor, mit dem der Wärmeentkoppler 16 in eine korrespondierend gestaltete Ausnehmung 28 des Gehäuses 17 eingesetzt und positioniert wird. Ferner ist an dem Wärmeentkoppler 16 ein Außengewinde 25 vorgesehen, welches mit dem Innengewinde 22 der Düse 12 verschraubt wird zur Verbindung der beiden Komponenten.

Claims

Extruderanordnung (1) für einen 3D-Drucker umfassend ein Vorschubmodul für ein Filament, einen elektrischen Antrieb (5) für die Vorschubeinheit, ein Heizmodul zum Schmelzen des Filaments und eine Düse (12) für das Filament, wobei das Vorschubmodul ein an das Filament anlegbares Stützrad (4) und ein elektrisch betätigtes Zahnrad als ein Antriebsrad (3) vorsieht, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsrad (3) als Teil einer Schneckenradgetriebestufe realisiert ist, wobei mittels des elektrischen Antriebs (5) eine der Schneckenradgetriebestufe zugeordnete Schnecke (2) angetrieben ist und das Antriebsrad (3) von der Schnecke (2) angetrieben ist und wobei eine der Schnecke (2) zugeordnete erste Drehachse (6) senkrecht zu einer dem Antriebsrad (3) zugeordneten zweiten Drehachse (7) orientiert ist.
Extruderanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsrad (3) unmittelbar und/oder formschlüssig von der Schnecke (2) angetrieben ist.
Extruderanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützrad (4) nach Art eines Reibrads ausgebildet ist.
Extruderanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Stützrad (4) zugeordnete dritte Drehachse (8) senkrecht zu der ersten Drehachse (6) der Schnecke (2) und parallel zu der zweiten Drehachse (7) vorgesehen ist.
Extruderanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützrad (4) verstellbar in Bezug zum Antriebsrad (3) vorgesehen ist, wobei das Stützrad (4) über einen Verstellhebel (9) schwenkbar gehalten ist und wobei ein Verstellmittel vorgesehen ist zur Einstellung einer Verschwenkposition des Verstellhebels (9).
Extruderanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schraube (10) als Verstellmittel für den Verstellhebel (9) vorgesehen ist.
Extruderanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb des Filaments Zähne des Antriebsrads (3) in das Filament eingreift.
Extruderanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drehachse (6) der Schnecke (2) sich in eine Förderrichtung (20) des Filaments erstreckt.
Extruderanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (12) eine rechteckige Öffnung (13) für das Filament aufweist.
Extruderanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (13) der Düse (12) quadratisch ausgebildet ist.
Extruderanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (12) eine Breite (33) von 0,4 mm ± 0,2 mm und eine Höhe (34) von 0,4 mm ± 0,2 mm aufweist.