DE212019000422U1

DE212019000422U1 - Filamentantriebsmechanismus zur Verwendung in einem additiven Herstellungssystem

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Publication number: DE212019000422U1
Application number: DE212019000422.9U
Authority: DE
Original assignee: Stratasys Inc
Current assignee: Stratasys Inc
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2021-07-01
Anticipated expiration: 2029-11-15
Also published as: US20220016837A1; WO2020102569A2; EP4420861A2; EP3880438B1; CN216610065U; EP3880438A2; WO2020102569A3; CA3119165A1; JP3235853U; EP4420861A3

Abstract

Filamentantriebsmechanismus zur Verwendung mit einem additiven Fertigungssystem, wobei der Filamentantriebsmechanismus umfasst:
einen Filamentantriebsmechanismus, der einen ersten Antrieb und einen zweiten Antrieb umfasst, die voneinander beabstandet sind, wobei jeder Antrieb umfasst:
eine erste drehbare Welle;
eine zweite drehbare Welle, die mit der ersten drehbaren Welle in einer gegenläufigen Konfiguration in Eingriff steht;
ein Paar von Filamenteingriffselementen, die jeweils eine Vielzahl von Zähnen umfassen, eines auf jeder drehbaren Welle, und die auf gegenüberliegenden Seiten des Filamentpfades mit einem Spalt dazwischen positioniert sind, um mit einem im Filamentpfad vorgesehenen Filament in Eingriff zu kommen; und
eine Brückenwelle, die derart ausgebildet ist, dass sie den ersten Antrieb mit dem zweiten Antrieb drehbar koppelt;
wobei eine der Wellen eine Antriebswelle ist, die derart ausgebildet ist, dass sie von einem Motor mit einer Drehzahl angetrieben wird, die derart gewählt ist, dass das Filament mit einer gewünschten Vorschubgeschwindigkeit vorwärts bewegt wird, und dass die anderen Wellen veranlasst werden, sich mit der gleichen Drehzahl zu drehen, so dass jedes Paar von Filamenteingriffszähnen in ein Filament im Filamentpfad eingreift und koordiniert wird, um das Filament vorwärts zu bewegen, während es sich mit der gleichen Drehzahl gegenläufig dreht, um das Filament in einen Verflüssiger zu treiben.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf additive Fertigungssysteme zum Drucken oder anderweitigen Erstellen von 3D-Teilen durch Materialextrusionstechniken. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Filamentantriebsmechanismen zur Verwendung in extrusionsbasierten 3D-Druckern.
Additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt, ist im Allgemeinen ein Verfahren, bei dem ein dreidimensionales (3D) Objekt durch Hinzufügen von Material zur Bildung eines Teils gebaut wird, anstatt Material wie bei der traditionellen Bearbeitung zu subtrahieren. Unter Verwendung eines oder mehrerer additiver Fertigungsverfahren kann ein dreidimensionaler fester Gegenstand mit praktisch beliebiger Form aus einem digitalen Modell des Gegenstands durch ein additives Fertigungssystem, allgemein als 3D-Drucker bezeichnet, gedruckt werden. Ein typischer Arbeitsablauf in der additiven Fertigung umfasst das Zerschneiden eines dreidimensionalen Computermodells in dünne Querschnitte, die eine Reihe von Schichten definieren, das Übersetzen des Ergebnisses in zweidimensionale Positionsdaten und das Einspeisen der Daten in einen 3D-Drucker, der eine dreidimensionale Struktur in einer additiven Bauweise herstellt. Die additive Fertigung umfasst viele verschiedene Ansätze für das Herstellungsverfahren, darunter Materialextrusion, Tintenstrahlverfahren, selektives Lasersintern, Pulver-/Binderstrahlverfahren, Elektronenstrahlschmelzen, elektrofotografische Verfahren und stereolithografische Verfahren.
In einem typischen extrusionsbasierten additiven Fertigungssystem (z. B. Fused-Deposition-Modeling-Systeme, die von Stratasys, Inc., Eden Prairie, MN, entwickelt wurden) kann ein 3D-Objekt anhand einer digitalen Darstellung des gedruckten Teils gedruckt werden, indem ein viskoses, fließfähiges thermoplastisches oder gefülltes thermoplastisches Material von einem Druckkopf entlang von Werkzeugwegen mit einer kontrollierten Extrusionsrate extrudiert wird. Der extrudierte Materialstrom wird in einer Folge von Bahnen auf ein Substrat aufgebracht, wo er mit dem zuvor aufgebrachten Material verschmilzt und bei einem Temperaturabfall erstarrt. Der Druckkopf enthält einen Verflüssiger, der einen Vorrat des thermoplastischen Materials in Form eines flexiblen Filaments erhält, und eine Düsenspitze zur Abgabe des geschmolzenen Materials. Ein Filamentantriebsmechanismus greift in das Filament ein, z. B. mit einem Antriebsrad und einer Lagerfläche oder einem Paar von Zahnrädern, und führt das Filament in den Verflüssiger, wo das Filament geschmolzen wird. Der ungeschmolzene Teil des Filaments füllt im Wesentlichen den Durchmesser des Verflüssigerrohrs aus und sorgt für eine pfropfenartige Pumpwirkung, um das geschmolzene Filamentmaterial weiter stromabwärts im Verflüssiger zu extrudieren, von der Spitze aus, um ein Teil zu drucken, um einen kontinuierlichen Fluss oder Werkzeugweg aus Harzmaterial zu bilden. Die Extrusionsrate ist ungedrosselt und basiert nur auf der Zuführungsrate des Filaments in den Verflüssiger, und das Filament wird mit einer Zuführungsrate vorwärtsbewegt, die berechnet wird, um eine angestrebte Extrusionsrate zu erreichen, wie sie in Comb U.S. Patent No. 6,547,995 ( US 6 547 995 B1 ) offenbart ist.
In einem System, in dem das Material in ebenen Schichten aufgetragen wird, wird die Position des Druckkopfs relativ zum Substrat entlang einer Achse (senkrecht zur Bauebene) erhöht, nachdem jede Schicht gebildet wurde, und der Prozess wird dann wiederholt, um ein gedrucktes Teil zu bilden, das der digitalen Darstellung ähnelt. Bei der Herstellung von gedruckten Teilen durch Auftragen von Schichten eines Teilmaterials werden typischerweise Stützschichten oder -strukturen unter überhängenden Teilen oder in Hohlräumen von gedruckten, im Bau befindlichen Teilen aufgebaut, die nicht durch das Teilmaterial selbst gestützt werden. Eine Stützstruktur kann mit denselben Abscheidetechniken aufgebaut werden, mit denen auch das Teilematerial abgeschieden wird. Ein Host-Computer generiert eine zusätzliche Geometrie, die als Stützstruktur für die überhängenden oder freien Segmente des gedruckten Teils dient, das gerade geformt wird. Während des Druckvorgangs wird dann entsprechend der erzeugten Geometrie Stützmaterial aufgebracht. Das Trägermaterial haftet während der Herstellung am Teilematerial und lässt sich nach Abschluss des Druckvorgangs vom fertig gedruckten Teil entfernen.
Ein mehrachsiges additives Fertigungssystem kann verwendet werden, um 3D-Teile mit Fused-Deposition-Modeling-Techniken zu drucken. Das mehrachsige System kann einen in sechs Freiheitsgraden beweglichen Roboterarm umfassen. Das mehrachsige System kann auch eine Bauplattform umfassen, die in zwei oder mehr Freiheitsgraden und unabhängig von der Bewegung des Roboterarms beweglich ist, um das zu bauende 3D-Teil so zu positionieren, dass es den Auswirkungen der Schwerkraft basierend auf der Teilegeometrie entgegenwirkt. Ein Extruder kann an einem Ende des Roboterarms angebracht und so ausgebildet sein, dass er Material mit einer Vielzahl von Durchflussraten extrudiert, wobei die Bewegung des Roboterarms und der Bauplattform mit der Durchflussrate des extrudierten Materials synchronisiert ist, um das 3D-Teil zu bauen. Die mehreren Bewegungsachsen können komplexe Werkzeugpfade zum Drucken von 3D-Teilen verwenden, einschließlich einzelner kontinuierlicher 3D-Werkzeugpfade für ein ganzes Teil oder mehrerer 3D-Werkzeugpfade, die für den Bau eines einzelnen Teils ausgebildet sind. Durch die Verwendung von 3D-Werkzeugwegen können Probleme mit dem herkömmlichen 3D-Druck mit ebenen Werkzeugwegen, wie z. B. Treppenstufen (Layer Aliasing), Nähte, die Notwendigkeit von Stützen und Ähnliches, reduziert werden. Ohne die Notwendigkeit, ein zu bauendes Teil in mehrere Schichten aufzuteilen, die jeweils in der gleichen Bauebene gedruckt werden, kann die Geometrie des Teils verwendet werden, um die Ausrichtung des Drucks zu bestimmen.
Unabhängig von der Architektur des Drucksystems hängt der Druckvorgang beim Fused-Deposition-Modeling von einer vorhersehbaren und kontrollierten Zuführung des Filaments in den Verflüssiger mit einer Vorschubgeschwindigkeit ab, die das Material mit einer bestimmten Extrusionsgeschwindigkeit extrudiert. Daher besteht ein ständiger Bedarf an einer verbesserten Zuverlässigkeit der Filamentzufuhr und -abgabe beim Drucken von 3D-Teilen mit extrusionsbasierten additiven Fertigungsverfahren.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf einen Filamentantriebsmechanismus zur Verwendung mit einem additiven Fertigungssystem. Der Filamentantriebsmechanismus umfasst einen Filamentantriebsmechanismus, der mindestens einen ersten und einen zweiten Antrieb umfasst. Jeder Antrieb umfasst eine erste drehbare Welle und eine zweite drehbare Welle, die mit der ersten drehbaren Welle in einer gegenläufigen Konfiguration in Eingriff steht. Jeder Antrieb umfasst ein Paar von Filamenteingriffselementen, eines auf jeder drehbaren Welle, die auf gegenüberliegenden Seiten des Filamentpfades mit einem Spalt dazwischen positioniert sind, um in ein im Filamentpfad vorgesehenes Filament einzugreifen. Der Antriebsmechanismus umfasst einen Brückenfolger, der so ausgebildet ist, dass er die Drehkraft vom ersten Antrieb auf den zweiten Antrieb überträgt, so dass die erste drehbare Welle des ersten Antriebs eine Antriebswelle ist, die so ausgebildet ist, dass sie von einem Motor mit einer Drehzahl angetrieben wird, die so gewählt ist, dass das Filament mit einer gewünschten Vorschubgeschwindigkeit vorwärts bewegt wird, und dass die anderen Wellen veranlasst werden, sich mit der gleichen Drehzahl zu drehen, so dass jedes Paar von Filamenteingriffselementen mit einem Filament im Filamentpfad in Eingriff kommt und koordiniert wird, um das Filament vorwärts zu bewegen, während es sich mit der gleichen Drehzahl gegenläufig dreht, um das Filament in einen Verflüssiger zu treiben.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf einen Filamentantriebsmechanismus zur Verwendung mit einem additiven Fertigungssystem. Der Filamentantriebsmechanismus umfasst einen ersten Filamentantriebsmechanismus mit einer ersten drehbaren Welle und einer zweiten drehbaren Welle, die mit der ersten drehbaren Welle in einer gegenläufigen Konfiguration in Eingriff steht. Jede drehbare Welle hat eine Vielzahl von Zähnen, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Filamentpfades mit einem Spalt dazwischen positioniert sind, um in ein im Filamentpfad vorgesehenes Filament einzugreifen. Die Vielzahl von Zähnen hat eine im Wesentlichen flache Oberfläche mit einer Breite im Bereich von etwa 0,08 Zoll (0,203 cm) bis etwa 0,15 Zoll (0,381 cm) und ist derart ausgebildet, dass sie in ein Filament eingreift.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf einen Filamentantriebsmechanismus zur Verwendung mit einem additiven Fertigungssystem. Der Filamentantriebsmechanismus umfasst einen Vierfachantrieb, bei dem, wenn Energie direkt oder indirekt an eine einzelne Welle des Vierfachantriebs geliefert wird, so dass jede Welle, die derart ausgebildet ist, dass sie in ein Filament eingreift, mit im Wesentlichen der gleichen Drehzahl dreht.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf einen Druckkopf zur Verwendung mit einem additiven Fertigungssystem. Der Filamentantriebsmechanismus umfasst mindestens einen ersten und einen zweiten Antrieb. Jeder Antrieb hat ein Paar von Filament-Antriebsrädern, die in Reihe entlang eines Filamentpfads positioniert sind, wobei jedes Paar einen Zwischenraum dazwischen aufweist, der derart ausgebildet ist, dass er mit einem Filament im Filamentpfad in Eingriff kommt, und jedes Paar derart ausgebildet ist, dass es sich mit einer im Wesentlichen identischen Drehzahl dreht. Jedes Antriebsradpaar hat eine erste Welle mit einer Verzahnung, die sich um einen Umfang der ersten Welle erstreckt, und eine erste Eingriffsfläche, die von der ersten Verzahnung beabstandet ist und sich um den Umfang der ersten Welle erstreckt, wobei die erste Eingriffsfläche eine Vielzahl von Filamenteingriffszähnen umfasst. Jedes Antriebsradpaar hat eine zweite Welle, die im Wesentlichen parallel zur ersten Welle verläuft, wobei die zweite Antriebswelle eine Verzahnung aufweist, die sich um den Umfang der zweiten Welle erstreckt. Die zweite Welle umfasst eine zweite Eingriffsfläche, die von den zweiten Getriebezähnen beabstandet ist und sich um den Umfang der zweiten Welle erstreckt, wobei die zweite Eingriffsfläche eine Vielzahl von Filamenteingriffszähnen umfasst, die den Eingriffszähnen der ersten Eingriffsfläche gegenüberliegen. Der Filamentantriebsmechanismus umfasst eine Brückenwelle mit einer Verzahnung, die in die Verzahnung auf der ersten Welle und der zweiten Welle eingreift, so dass Kraft von dem ersten Antrieb auf den zweiten Antrieb übertragen wird und dazu führt, dass sich der erste und der zweite Antrieb in entgegengesetzte Drehrichtungen drehen und das Filament mit einer im Wesentlichen identischen Drehzahl in Eingriff nehmen. Die ersten und zweiten Eingriffsflächen jedes der mindestens ersten und zweiten beabstandeten Antriebe sind derart ausgebildet, dass sie mit dem Filament dazwischen in Eingriff kommen, so dass mindestens zwei mit dem Filament in Eingriff kommende Zähne an jedem der Paare von beabstandeten Antriebsrädern zu jeder Zeit mit dem Filament in Eingriff kommen und bewirken, dass das Filament in einen Verflüssiger getrieben wird.
Ferner wird ein Verfahren zum Drucken eines 3D-Teils aus einem elastomeren Teilmaterial beschrieben. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines elastomeren Materials oder eines Materials mit gebundenen Partikeln in Filamentform und das Führen des Filaments zu einem Druckkopf mit einem Filamentantrieb und einer Verflüssigungseinrichtung. Das Verfahren umfasst das In-Eingriff-Bringen des Filaments mit einem Filamentantriebsmechanismus, der mindestens einen ersten und einen zweiten Antrieb umfasst. Jeder Antrieb umfasst ein Paar von beabstandeten Filamentantriebsrädern, wobei jedes Paar der beabstandeten Filamentantriebsräder der mindestens ersten und zweiten Antriebe derart ausgebildet ist, dass es an gegenüberliegenden Seiten eines Filaments mit im Wesentlichen derselben Geschwindigkeit angreift. Jedes Filamentantriebsradpaar umfasst eine erste Welle mit einer ersten Verzahnung, die sich um einen Umfang der ersten Welle erstreckt, und eine erste Eingriffsfläche, die von der ersten Verzahnung beabstandet ist und sich um den Umfang der ersten Welle erstreckt, wobei die erste Eingriffsfläche eine Vielzahl von Filamenteingriffszähnen umfasst. Jedes Filamentantriebsradpaar umfasst eine zweite Welle, die im Wesentlichen parallel zur ersten Welle verläuft, wobei die zweite Antriebswelle eine zweite Verzahnung umfasst, die sich um den Umfang der zweiten Welle erstreckt, wobei die zweite Verzahnung mit der ersten Verzahnung kämmt. Die zweite Antriebswelle umfasst eine zweite Eingriffsfläche, die sich um den Umfang der zweiten Welle erstreckt, wobei die zweite Eingriffsfläche von der ersten Eingriffsfläche der ersten Antriebswelle beabstandet ist, wobei die zweite Eingriffsfläche eine Vielzahl von Filamenteingriffszähnen umfasst, wobei sich die erste und die zweite Welle in entgegengesetzten Drehrichtungen drehen. Der Filamentantriebsmechanismus umfasst eine Brückenwelle mit einer Verzahnung, die in die Verzahnung des ersten und zweiten Antriebs eingreift, so dass die Leistung vom ersten Antrieb auf den zweiten Antrieb übertragen wird und dazu führt, dass der erste und zweite Antrieb das Filament mit einer im Wesentlichen gleichen Geschwindigkeit in Eingriff nimmt, wobei nur eine Welle des mindestens ersten und zweiten Antriebs von einem Motor angetrieben wird. Das Verfahren umfasst das Schmelzen des Filaments in der Verflüssigungsvorrichtung, um ein geschmolzenes Teilmaterial bereitzustellen, und das Extrudieren des geschmolzenen Teilmaterials aus der Verflüssigungsvorrichtung, um das dreidimensionale Teil zu drucken.
DEFINITIONEN
Sofern nicht anders angegeben, haben die folgenden Begriffe, die hier verwendet werden, die unten angegebene Bedeutung:
Richtungsangaben wie „oben“, „unten“, „oben“, „unten“ und dergleichen beziehen sich auf die Schichtdruckrichtung eines 3D-Teils. In den unten dargestellten Ausführungsformen ist die Schichtdruckrichtung die Aufwärtsrichtung entlang der vertikalen z-Achse. In diesen Ausführungsformen beziehen sich die Begriffe „oben“, „unten“, „oben“, „unten“ und dergleichen auf die vertikale z-Achse. In Ausführungsformen, in denen die Schichten der 3D-Teile entlang einer anderen Achse gedruckt werden, z. B. entlang einer horizontalen x-Achse oder y-Achse, beziehen sich die Begriffe „oben“, „unten“, „oben“, „unten“ usw. jedoch auf die jeweilige Achse.
Der Begriff „Bereitstellen“, wie z. B. „Bereitstellen eines Druckkopfes“, wenn er in den Ansprüchen verwendet wird, soll keine bestimmte Lieferung oder einen bestimmten Empfang des bereitgestellten Gegenstands erfordern. Vielmehr wird der Begriff „Bereitstellen“ lediglich verwendet, um Elemente zu rezitieren, auf die in den nachfolgenden Elementen des Anspruchs/der Ansprüche Bezug genommen wird, um die Klarheit und Lesbarkeit zu verbessern.
Die Begriffe „ungefähr“ und „im Wesentlichen“ werden hier in Bezug auf messbare Werte und Bereiche aufgrund von erwarteten Abweichungen verwendet, die dem Fachmann bekannt sind (z. B. Einschränkungen und Variabilität bei Messungen).
Der Begriff „Zweifachantrieb“ bezieht sich auf einen Filament-Antriebsmechanismus mit einem Paar gegenläufig drehender Wellen, wobei jede Welle eine Eingriffsfläche aufweist, die eine Vielzahl von Filament-Eingriffszähnen umfasst, die derart ausgebildet sind, dass sie in ein Filament eingreifen, und wobei jede Welle derart ausgebildet ist, dass sie direkt oder indirekt von einer einzigen Energiequelle angetrieben wird und die gleiche Drehzahl aufweist.
Der Begriff „Vierfachantrieb“ bezieht sich auf einen Filament-Antriebsmechanismus mit zwei Paaren gegenläufiger Wellen, die derart ausgebildet sind, dass sie in das Filament eingreifen, wobei jede Welle, die derart ausgebildet ist, dass sie in das Filament eingreift, eine Eingriffsfläche aufweist, die eine Vielzahl von Filament-Eingriffszähnen umfasst, und wobei jede Welle, die derart ausgebildet ist, dass sie in das Filament eingreift, derart ausgebildet ist, dass sie direkt oder indirekt von einer einzigen Energiequelle angetrieben wird und die gleiche Drehzahl aufweist.
Der Begriff „Sechsfachantrieb“ bezieht sich auf einen Filament-Antriebsmechanismus mit drei Paaren gegenläufiger Wellen, die derart ausgebildet sind, dass sie in das Filament eingreifen, wobei jede Welle, die derart ausgebildet ist, dass sie in das Filament eingreift, eine Eingriffsfläche aufweist, die eine Vielzahl von Filament-Eingriffszähnen umfasst, und wobei jede Welle, die derart ausgebildet ist, dass sie in das Filament eingreift, derart ausgebildet ist, dass sie direkt oder indirekt von einer einzigen Energiequelle angetrieben wird und die gleiche Drehzahl aufweist.
Figurenliste

1 ist eine schematische Frontansicht eines extrusionsbasierten additiven Fertigungssystems, das einen Filamentantriebsmechanismus der vorliegenden Offenbarung verwendet.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Druckkopfpaares auf einem Kopfträger.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Vierfachantriebs der vorliegenden Offenbarung.
4 ist eine Seitenansicht des Getriebes der Ausführungsform des Vierfachantriebs der vorliegenden Offenbarung.
5 ist eine teilweise explodierte perspektivische Ansicht der Zahnräder des Vierfachantriebs der vorliegenden Offenbarung mit einem Antrieb, der an einer ersten Stelle an einem Zahnrad befestigt ist.
6 ist eine schematische Frontansicht des Vierfachantriebs der vorliegenden Offenbarung mit einem Antriebszahnrad an einer ersten Stelle.
7 ist eine Schnittansicht eines Antriebsblocks des Vierfachantriebs, wobei der Filamentpfad mit einem Antriebszahnrad an einer ersten Stelle dargestellt ist.
8 ist eine schematische Frontansicht des Vierfachantriebs der vorliegenden Offenbarung mit einem Antriebszahnrad an einer zweiten Position.
9 ist eine schematische Frontansicht eines Sechsfachantriebs der vorliegenden Offenbarung.
10 ist eine Schnittansicht eines Antriebsblocks des Sechsfachantriebs, in der der Filamentpfad dargestellt ist.
11A ist eine schematische Ansicht eines Zweifachantriebs gemäß dem Stand der Technik, der in ein starres Filament mit phasenverschobenen Eingriffszähnen eingreift.
11B ist eine schematische Ansicht eines Zweifachantriebs gemäß dem Stand der Technik, der in ein elastomeres Filament mit phasenverschobenen Eingriffszähnen eingreift.
12A ist eine schematische Ansicht eines Vierfachantriebs, der in ein elastomeres Filament eingreift
12B ist eine schematische Ansicht eines Sechsfachantriebs, der in ein elastomeres Filament eingreift
13A ist eine schematische Ansicht eines Vierfachantriebs, der in ein starres Filament eingreift.
13B ist eine schematische Ansicht eines Sechsfachantriebs, der in ein starres Filament eingreift.
13C ist eine Ansicht eines Filaments, das mit dem Filamentantriebsmechanismus von 13A und 13B angetrieben wird.
14A ist eine schematische Ansicht eines Vierfachantriebs, der in ein elastomeres Filament eingreift, mit gleichphasigen Eingriffszähnen in Bezug auf die Zähne in jedem Paar, sowie zwischen den beiden Paaren.
14B ist eine schematische Ansicht eines Sechsfachantriebs, der in ein elastomeres Filament eingreift, mit phasengleichen Eingriffszähnen, die in Bezug auf die Zähne in jedem Paar sowie zwischen den Paaren phasengleich sind.
15A ist eine schematische Ansicht eines Zweifachantriebs, der in ein elastomeres Filament mit phasengleichen flachen Eingriffszähnen eingreift.
15B ist eine schematische Ansicht eines Vierfachantriebs, der in ein elastormeres Filament eingreift, mit phasengleichen flachen Eingriffszähnen an jedem Paar gegenläufiger Antriebe.
15C ist eine schematische Ansicht eines Sechsfachantriebs, der in ein elastomeres Filament mit flachen Eingriffszähnen eingreift.
16A ist eine schematische Ansicht eines Zweifachantriebs, der in ein starres Filament mit scharfen Eingriffszähnen eingreift.
16B ist eine schematische Ansicht eines Vierfachantriebs, der in ein starres Filament mit scharfen Eingriffszähnen eingreift.
16C ist eine schematische Ansicht eines Sechsfachantriebs, der in ein starres Filament mit scharfen Eingriffszähnen eingreift.
17 ist eine schematische Ansicht eines Sechsfachantriebs mit einem Verhältnis von 2:1 Filamenteingriffszähnen.
18 ist eine Darstellung von Vertiefungen auf dem Filament unter Verwendung des Antriebs in 17.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Filamentantriebsmechanismus zur Verwendung mit einem additiven Fused-Deposition-Modeling-Fertigungssystem oder 3D-Drucker zum Ziehen und Zuführen von verbrauchbaren Ausgangsmaterialien in Filamentform. Der Filamentantriebsmechanismus ist typischerweise eine Unterkomponente eines Druckkopfs oder Extruders, der das Filament in einem Verflüssiger in einen geschmolzenen Zustand erhitzt und das geschmolzene Material durch eine Düse oder eine Verflüssigerspitze extrudiert, um 3D-Teile zu drucken. Der Filamentantriebsmechanismus der vorliegenden Offenbarung umfasst verbesserte Eingriffspunkte mit einem Filament im Filamentpfad. In einigen Ausführungsformen werden mehrere Antriebe in Reihe entlang eines Filamentpfades positioniert, wodurch eine erweiterte Länge und zusätzliche Eingriffspunkte mit einem Filament im Filamentpfad bereitgestellt werden. Wenn mehrere Antriebe in Reihe verwendet werden, ist jeder Antrieb in der Reihe derart ausgebildet, dass er sich mit einer im Wesentlichen identischen Drehzahl dreht, die von einer Systemsteuerung gesteuert wird, um das Filament zum Verflüssiger zu befördern.
Die Filament-Antriebsmechanismen der vorliegenden Offenbarung können vorteilhaft mit Filament verwendet werden, das aus einer Vielzahl von Materialien gebildet ist, ist aber besonders geeignet für die Verwendung bei der Zuführung von Filamentmaterialien, die eine größere Zugkraft erfordern (z. B. von einer großen Spule oder schweren Spule) oder die anderweitig eine Herausforderung für die Zuführung mit typischen Filament-Antriebsmechanismen gemäß dem Stand der Technik sind, wie harte oder weiche Filamente. Die Filament-Antriebsmechanismen mit zusätzlichen Eingriffspunkten und/oder verlängerter Länge haben sich als besonders vorteilhaft für die Zuführung von Filament erwiesen, das im Vergleich zu herkömmlichen thermoplastischen 3D-Druck-Filamenten flexibler oder steifer ist, z. B. weichere Filamente, die aus Materialien mit niedrigem Durometer gebildet werden, oder härtere Filamente, die gebundene Partikel oder Fasern enthalten.
Zu den Materialien mit niedriger Härte gehören unter anderem Elastomere, Polyurethane, Polyester, Polyethylen-Blockamide, Silikon, Gummi und Vulkanate. Modellierfäden können z. B. aus einem oder mehreren der folgenden Materialien mit niedrigem Durometer gebildet werden: Silikon, Gummi und/oder thermoplastisches Polyurethan. Das Filamentmaterial kann z. B. aus einem Material mit einer Härte von weniger als 95 auf der Shore-A-Skala gebildet werden. Außerdem kann das Filamentmaterial eine Mischung aus polymeren Materialien sein und im Wesentlichen aus thermoplastischen Elastomeren, wie z. B. Polyurethan, bestehen. Solche Materialien mit niedrigem Härtegrad neigen dazu, klebrige Oberflächen zu haben, so dass die Materialien im Allgemeinen einen hohen Reibungskoeffizienten im Vergleich zu typischen Materialien haben, die für Fused-Deposition-Modeling-3D-Druck verwendet werden, wie ABS, PC und PLA. Die Elastizität, reduzierte Steifigkeit und Klebrigkeit der Materialien mit niedrigem Durometer hat sich als Ursache für Vorschubfehler, Staus und ungenaue Extrusionsraten in den Druckköpfen gemäß dem Stand der Technik erwiesen, da das Filament mit niedrigem Durometer dazu neigt, sich zu dehnen, zu verrutschen, zu knicken, zu reißen, zu bröckeln und/oder in den Filamentantriebsmechanismen gemäß dem Stand der Technik zu stauen. Diese Fehler und Ungenauigkeiten führen zu einer schlechten Teilequalität und/oder zu Fehlern beim Drucken des 3D-Teils.
Ein Filament aus gebundenen Partikeln kann aus Metall, Keramik, Mineralien, Glasblasen, Glaskugeln oder Kombinationen und Mischungen solcher Partikel in einer Polymermatrix gebildet werden. Gebundene Partikelfilamente sind z. B. in Heikkila U.S. Patent No. 9,512,544 ( US 9 512 544 B2 ) beschrieben. Wie dort beschrieben, besteht ein beispielhaftes gebundenes Filament aus etwa 1-70 Gew.-% eines thermoplastischen Polymers und etwa 30-99 Gew.-% eines in dem Polymer dispergierten Partikels, wobei der Partikel eine Partikelgröße von weniger als 500 Mikrometer aufweist und derart ausgebildet ist, dass eine dichte Packung der Partikelverteilung erreicht wird. Andere Arten von Partikelfilamenten umfassen Verbundfilamente, wie sie in Priedeman U.S. Patent No. 7,910,041 ( US 7 910 041 B1 ) beschrieben sind. Wie dort beschrieben, werden Nanofasern einem Trägermaterial hinzugefügt, um die Eigenschaften des Filaments zu manipulieren. Ein Filament mit gebundenen Partikeln ist steifer als ein typisches Fused-Deposition-Modeling-Filament und rutscht nachweislich gegen die Antriebsräder, die zum Zuführen weicherer Filamente verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Filamentantriebsmechanismus der vorliegenden Offenbarung eine Vielzahl von Antrieben, wobei jeder Antrieb ein Paar gegenläufiger Antriebsräder bereitstellt, wodurch die Anzahl der Eingriffszähne erhöht wird, die gleichzeitig in das Filament eindringen und in dieses eingreifen, und die auf das Filament ausgeübte Antriebskraft erhöht wird. Die erhöhte Antriebskraft und die verlängerte Länge des Filamentantriebs helfen bei der Zuführung von Filament aus einem Vorrat oder einer Quelle und treiben das Filament mit einer gezielten Vorschubgeschwindigkeit in einen Verflüssiger. Die erhöhte Antriebskraft reicht aus, um die Reibungskräfte des Vorrats und/oder zwischen Vorratsquelle und Verflüssigerrohr zu überwinden und gleichzeitig Schlupf, Dehnung und Knicken zu vermeiden oder zu minimieren. In einigen Ausführungsformen werden der Radius, der Durchmesser oder der Umfang der Antriebe, die Anzahl der Zähne an jedem Antrieb und der Abstand zwischen den Antrieben derart berücksichtigt, dass die Zähne aufeinanderfolgender Antriebe in die zuvor von den vorherigen Paaren gegenläufiger Antriebsräder erzeugten Kerben im Filament eingreifen. Die Verwendung der gleichen Kerben im Filament beim Drucken mit weicheren Materialien reduziert die Ablagerungen im Druckkopf und erhöht dadurch die Zuverlässigkeit des Druckkopfes. Die Verwendung von Kerben kann auch beim Antrieb anderer Materialien vorteilhaft genutzt werden, z. B. um den Verschleiß des Filamentantriebs zu reduzieren.
Die vorliegende Offenbarung kann mit jedem geeigneten extrusionsbasierten 3D-Drucker verwendet werden. 1 zeigt beispielsweise einen beispielhaften 3D-Drucker 10, der eine im Wesentlichen horizontale Druckebene aufweist, auf der das zu druckende Teil in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung indexiert wird, während das Teil unter Verwendung von zwei Druckköpfen 18 schichtweise gedruckt wird. Der dargestellte 3D-Drucker 10 verwendet zwei Verbrauchsmaterial-Baugruppen 12, wobei jede Verbrauchsmaterial-Baugruppe 12 eine leicht zu ladende, abnehmbare und austauschbare Behältervorrichtung ist, die einen Vorrat eines verbrauchbaren Filaments zum Drucken mit dem System 10 aufbewahrt. Typischerweise enthält eine der Verbrauchsmaterial-Baugruppen 12 ein Teilmaterial-Filament und die andere Verbrauchsmaterial-Baugruppe 12 ein Trägermaterial-Filament, die jeweils einen Druckkopf 18 mit Filament versorgen. Beide Verbrauchsmaterial-Baugruppen 12 können jedoch identisch aufgebaut sein. Jede Verbrauchsmaterial-Baugruppe 12 kann das Verbrauchsmaterial-Filament auf einer gewickelten Spule, einer spulenlosen Spule oder einer anderen Zuführungsanordnung aufbewahren, wie beispielsweise in Turley et al. U.S. Patent Nr. 7,063,285 ( US 7 063 285 B ); Taatjes at al., U.S. Patent Nr. 7,938,356 ( US 7 938 356 B2 ); und Mannella et al., U.S. Patent Nr. 8,985,497 ( US 8 985 497 B2 ) und 9,073,263 ( US 9 073 263 B2 ) diskutiert.
Wie in 2 gezeigt, ist jeder Druckkopf 18 eine Vorrichtung, die ein Gehäuse umfasst, in dem ein Verflüssiger 20 mit einer Düsenspitze 14 untergebracht ist. Ein Führungsrohr 16 verbindet jede Verbrauchsmaterial-Baugruppe 12 und den Druckkopf 18 miteinander und stellt einen Filamentpfad von der Filamentversorgung zum Druckkopf bereit. Das Führungsrohr 16 kann eine Komponente des Systems 10 sein, wobei in der gezeigten Ausführungsform der Druckkopf 18 ein Endstück 17 umfasst, das das Führungsrohr 16 an einem Ende befestigt und an einem anderen Ende mit dem Druckkopf 18 in Eingriff steht. In der gezeigten Ausführungsform ist das Endstück 17 ausreichend starr, um eine bogenförmige Konfiguration mit einem Radius beizubehalten, der verhindert, dass sich das Filament zu stark biegt, was dazu führen kann, dass das Filament bricht oder eine Falte im Filament entsteht, die dazu führen kann, dass das Filament dem Druckkopf falsch zugeführt wird. In anderen Ausführungsformen ist das Führungsrohr 16 eine Unterkomponente der Verbrauchsmaterial-Baugruppe und/oder des Druckkopfs und kann mit jeder Verbrauchsmaterial-Baugruppe und/oder jedem Druckkopf im System 10 ausgetauscht werden. Ein Führungsrohr hat typischerweise eine Länge, die minimiert ist, um die Reibungskräfte zwischen dem Filament und einer Innenfläche des Führungsrohrs zu reduzieren. Die Anzahl und das Ausmaß der Biegungen im Führungsrohr werden typischerweise ebenfalls minimiert, um eine Kontaktfläche zwischen der Innenfläche des Führungsrohrs und dem Filament zu minimieren. Reibungskräfte zwischen dem Filament und dem Führungsrohr können jedoch nicht eliminiert werden, und bei einigen Druckerarchitekturen und bei Verwendung einiger Materialtypen können sie nicht ausreichend aufgelöst werden, um eine angemessene Zugkraft auf das Filament zu ermöglichen oder um Schlupf-, Ausdreh- und Extrusionsverlustprobleme am Druckkopf zu vermeiden.
Der beispielhafte 3D-Drucker 10 druckt Teile oder Modelle und entsprechende Stützstrukturen (z. B. 3D-Teil 22 und Stützstruktur 24) aus den Teil- bzw. Stützmaterial-Filamenten der Verbrauchsmaterial-Baugruppen 12, indem Straßen aus geschmolzenem Material entlang von Werkzeugwegen extrudiert werden. Während eines Bauvorgangs werden aufeinanderfolgende Segmente des Verbrauchsmaterialfilaments in den Druckkopf 18 getrieben, wo sie erhitzt werden und im Verflüssiger 20 schmelzen. Das geschmolzene Material wird durch die Düsenspitze 14 in einem schichtweisen Muster extrudiert, um gedruckte Teile herzustellen. Geeignete 3D-Drucker 10 sind z. B. Fused-Deposition-Modeling-Systeme, die von Stratasys, Inc. in Eden Prairie, MN, unter dem Warenzeichen „FDM“ entwickelt wurden.
Wie dargestellt, umfasst der 3D-Drucker 10 ein Systemgehäuse oder einen Rahmen 26, eine Kammer 28, eine Walze 30, ein Walzenportal 32, einen Kopfträger 34 und ein Kopfportal 36. Das Gehäuse 26 kann Behälterschächte enthalten, die zur Aufnahme von Verbrauchsmaterial-Baugruppen 12 ausgebildet sind. In alternativen Ausführungsformen können die Behälterschächte weggelassen werden, um die Gesamtgrundfläche des 3D-Druckers 10 zu verringern. In diesen Ausführungsformen kann die Verbrauchsmaterial-Baugruppe 12 in der Nähe des Druckers 10 stehen.
Die Kammer 28 enthält die Walze 30 zum Drucken des 3D-Teils 22 und der Stützstruktur 24. Bei der Kammer 28 kann es sich um eine geschlossene Umgebung handeln, die beheizt werden kann (z. B. mit zirkulierender Warmluft), um die Geschwindigkeit zu verringern, mit der das Teil und die Stützmaterialien nach dem Extrudieren und Ablegen erstarren (z. B. um Verformungen und Krümmungen zu verringern). In alternativen Ausführungsformen kann die Kammer 28 weggelassen und/oder durch andere Arten von Bauumgebungen ersetzt werden. Beispielsweise können das 3D-Teil 22 und die Stützstruktur 24 in einer Bauumgebung gebaut werden, die für die Umgebungsbedingungen offen ist, oder sie können mit alternativen Strukturen (z. B. flexiblen Vorhängen) umschlossen werden.
Die Druckplatte 30 ist eine Plattform, auf der das 3D-Teil 22 und die Stützstruktur 24 schichtweise gedruckt werden, und wird von einem Druckplattenportal 32 getragen. In einigen Ausführungsformen kann die Druckplatte 30 mit einem Aufbausubstrat in Eingriff kommen und dieses stützen. Dabei kann es sich um ein Schalensubstrat handeln, wie es in Dunn et al., US-Patent Nr. 7.127.309 ( US 7 127 309 B2 ), offenbart ist, das aus Kunststoff, Wellpappe oder einem anderen geeigneten Material hergestellt ist, und es kann auch eine flexible Polymerfolie oder -auskleidung, Malerband, Polyimidband oder eine andere Einwegfertigung zum Aufkleben des aufgebrachten Materials auf die Druckplatte 30 oder auf das Aufbausubstrat enthalten. Das Plattenportal 32 ist eine Portalanordnung, die derart ausgebildet ist, dass sie die Platte 30 entlang (oder im Wesentlichen entlang) der vertikalen z-Achse bewegt.
Der Kopfträger 34 ist eine Einheit zur Aufnahme und Halterung der Druckköpfe 18 und wird von einem Kopfportal 36 getragen. In der gezeigten Ausführungsform ist das Kopfportal 36 ein Mechanismus, der derart ausgebildet ist, dass der Kopfträger 34 (und die gehaltenen Druckköpfe 18) in (oder im Wesentlichen in) einer horizontalen x-y-Ebene über der Walze 30 bewegt werden. Beispiele für geeignete Gantry-Baugruppen für das Kopfportal 36 sind u. a. die in Swanson et al., US-Patent Nr. 6.722.872 ( US 6 722 872 B1 ), und Comb et al., US-Patent Nr. 9.108.360 ( US 9 108 360 B2 ), offengelegten, wobei das Kopfportal 36 auch verformbare Leitbleche (nicht dargestellt) tragen kann, die eine Decke für die Kammer 28 definieren. Das Kopfportal 36 kann jeden geeigneten brückenartigen Portal- oder Robotermechanismus zum Bewegen des Kopfträgers 34 (und der zurückgehaltenen Druckköpfe 18) verwenden, z. B. mit einem oder mehreren Motoren (z. B. Schrittmotoren und kodierten Gleichstrommotoren), Zahnrädern, Riemenscheiben, Riemen, Schrauben, Roboterarmen und dergleichen.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Druckwalze 30 derart ausgebildet sein, dass sie sich in der horizontalen x-y-Ebene innerhalb der Kammer 28 bewegt, und der Kopfträger 34 (und die Druckköpfe 18) können derart ausgebildet sein, dass sie sich entlang der z-Achse bewegen. Es können auch andere ähnliche Anordnungen verwendet werden, so dass eine oder beide der Walzen 30 und Druckköpfe 18 relativ zueinander beweglich sind. Die Walze 30 und der Kopfträger 34 (und die Druckköpfe 18) können auch entlang verschiedener Achsen ausgerichtet sein. Beispielsweise kann die Walze 30 vertikal ausgerichtet sein und die Druckköpfe 18 können das 3D-Teil 22 und die Stützstruktur 24 entlang der x-Achse oder der y-Achse drucken.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel von zwei Druckköpfen 18, die einen Filamentantriebsmechanismus der vorliegenden Offenbarung enthalten. Die gezeigten Druckköpfe 18 sind in ähnlicher Weise ausgebildet, um ein verbrauchbares Filament aufzunehmen, das Filament im Verflüssiger 20 zu schmelzen, um ein geschmolzenes Material zu erzeugen, und das geschmolzene Material aus einer Düsenspitze 14 des Verflüssigers 20 abzugeben. Ein Motor (nicht dargestellt) ist derart ausgebildet, dass er über elektrische Anschlüsse Strom vom Drucker 10 erhält, um ein Zahnrad mit Gewindeoberfläche des Motors zu drehen. Das drehende Zahnrad des Motors (nicht dargestellt) greift in einen Filament-Antriebsmechanismus der vorliegenden Erfindung ein (z. B. Filament-Antriebsmechanismus 100, dargestellt in 3), um die Rotationsleistung zu übertragen. Der Motor (nicht dargestellt) kann im Druckkopf 18 untergebracht sein oder eine Komponente des Druckers 10 sein. Beispiele für geeignete Verflüssiger-Baugruppen für den Druckkopf 18 sind die in Swanson et al., U.S. Pat. Nr. 6,004,124 ( US 6 004 124 A ); und Batchelder et al., U.S. Pat. Nr. 8,439,665 ( US 8 439 665 B2 ). In weiteren Ausführungsformen, in denen der Druckkopf 18 ein austauschbarer Einzeldüsen-Druckkopf ist, umfassen Beispiele für geeignete Vorrichtungen für jeden Druckkopf 18 und die Verbindungen zwischen Druckkopf 18 und Kopfportal diejenigen, die in Swanson et al., US-Patent Nr. 8,419,996 ( US 8 419 996 B2 ), 8,647,102 ( US 8 647 102 B2 ); und Barclay et al., US-Patentanmeldung Nr. US20180043627 ( US 2018/0043627 A1 ) offenbart sind.
Der 3D-Drucker 10 umfasst auch eine Steuerungsbaugruppe 38, die eine oder mehrere Steuerschaltungen (z. B. Controller 40) und/oder einen oder mehrere Host-Computer (z. B. Computer 42) umfassen kann, die zur Überwachung und zum Betrieb der Komponenten des 3D-Druckers 10 ausgebildet sind. Beispielsweise können eine oder mehrere der Steuerfunktionen, die von der Steuerungsbaugruppe 38 ausgeführt werden, wie z. B. die Ausführung von Bewegungscompilerfunktionen, in Hardware, Software, Firmware und dergleichen oder einer Kombination davon implementiert werden; und sie können computerbasierte Hardware umfassen, wie z. B. Datenspeichergeräte, Prozessoren, Speichermodule und dergleichen, die extern und/oder intern im System 10 sein können.
Die Steuerungsbaugruppe 38 kann über die Kommunikationsleitung 44 mit den Druckköpfen 18, den Filamentantriebsmechanismen 100, der Kammer 28 (z. B. mit einer Heizeinheit für die Kammer 28), dem Kopfträger 34, den Motoren für das Walzenportal 32 und das Kopfportal 36 sowie mit verschiedenen Sensoren, Kalibrierungsvorrichtungen, Anzeigevorrichtungen und/oder Benutzereingabevorrichtungen kommunizieren. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerungsbaugruppe 38 auch mit einer oder mehreren von Walze 30, Walzenportal 32, Kopfportal 36 und jeder anderen geeigneten Komponente des 3D-Druckers 10 kommunizieren. Obwohl als eine einzelne Signalleitung dargestellt, kann die Kommunikationsleitung 44 eine oder mehrere elektrische, optische und/oder drahtlose Signalleitungen umfassen, die extern und/oder intern zum 3D-Drucker 10 verlaufen können und es der Steuerungsbaugruppe 38 ermöglichen, mit verschiedenen Komponenten des 3D-Druckers 10 zu kommunizieren.
Während des Betriebs kann die Steuerungsbaugruppe 38 das Walzenportal 32 anweisen, die Walze 30 auf eine vorbestimmte Höhe innerhalb der Kammer 28 zu bewegen. Die Steuerungsbaugruppe 38 kann dann das Kopfportal 36 anweisen, den Kopfwagen 34 (und die zurückgehaltenen Druckköpfe 18) in der horizontalen x-y-Ebene über der Kammer 28 zu bewegen. Die Steuerungsbaugruppe 38 kann auch die Druckköpfe 18 anweisen, aufeinanderfolgende Segmente der verbrauchbaren Filamente aus der Verbrauchsmaterial-Baugruppe 12 durch die Führungsrohre 16 und in den Verflüssiger 20 zu befördern.
Im Stand der Technik von Koop et al., US-Patent Nr. 9.321.609 ( US 9 321 609 B2 ), das sich im gemeinsamen Besitz desselben Anmelders befindet, wird ein Filamentantriebsmechanismus offenbart, der ein herkömmliches Verbrauchsfilament in ein Verflüssigungssystem einspeist. Der in Koop beschriebene Filamentantriebsmechanismus verwendet ein einzelnes Paar gegenläufig drehender Antriebsräder oder einen Zweifachantrieb, die durch Eingriff miteinander angetrieben werden, wie in 11A als Antrieb 138 dargestellt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die einzelnen, in das Filament eingreifenden Zähne verschachtelt oder phasenverschoben, so dass das Filament während des Antriebs des Filaments 141 zu mindestens 90 % der Zeit mit mindestens drei Zähnen in Eingriff steht. Die physikalischen Eigenschaften des thermoplastischen Harzfilaments werden in Koop als flexibel entlang seiner Länge beschrieben, damit es durch das System geführt werden kann, ohne sich plastisch zu verformen oder zu brechen, und wünschenswerterweise eine geringe Kompressibilität aufweist, so dass es sich nicht in einem Verflüssiger festsetzt. Filamente wie PLA, ABS und PC sind typische Beispiele. Bei einem Filament dieses Typs kann an jedem Kontaktpunkt eine hohe Reibungskraft auf die Filamentoberfläche ausgeübt werden, und die Antriebszähne können in das Filament eindringen oder es eindrücken, während das Filament intakt und gerade im Filamentpfad bleibt, um sich ohne Schlupf oder Knicke zum Verflüssiger zu bewegen.
Bei Verwendung des Einzelantriebsfilament-Antriebsmechanismus von Koop et al. mit Filamenttypen mit weicheren, verformbaren oder elastomeren Eigenschaften wie Polyurethanen, Polyestern, Polyethylen-Blockamiden und Vulkanaten zeigen experimentelle Ergebnisse, dass das verformbare Filament dazu neigt, sich in den Zähnen der Antriebsradpaare anzupassen, wie in 11B dargestellt, was zu einem Verklemmen des Antriebsfilament-Antriebsmechanismus, einem Zusammenbruch des Filaments, einem Reißen, einem Knicken oder einer anderweitigen Behinderung des Vorschubs des weichen Filaments mit der angestrebten Geschwindigkeit führt. Ebenso hat sich gezeigt, dass der Filamentantriebsmechanismus von Koop et al. beim Zuführen eines starren, gebundenen Partikelfilaments in einen Verflüssiger ins Stocken gerät, sich verklemmt oder „ausdreht“ (d. h. das Filament bleibt an Ort und Stelle, während sich die Antriebsräder drehen), da solche Materialien dazu neigen, sich der Verformung oder den Einkerbungen durch die Antriebszähne zu widersetzen und gegen die Filamentantriebsräder zu rutschen. In den Filamentantriebsmechanismen der vorliegenden Offenbarung ist das Ausmaß der Reibungskraft, die auf die Oberfläche des Filaments ausgeübt wird, so verbessert, dass es eine Vielzahl von Filamenten in einen Verflüssiger einspeisen und Reibungskräfte überwinden kann, anstatt durchzudrehen, abzuwürgen oder zu blockieren.
Unter Bezugnahme auf die 3 und 4 ist eine Ausführungsform eines Vierfach-Filamentantriebsmechanismus innerhalb des beispielhaften Druckkopfs 18 der vorliegenden Offenbarung mit 100 dargestellt. Der Filamentantriebsmechanismus 100 ist eine Komponente des Druckkopfs 18 (oder des 3D-Druckers 10) und ist derart ausgebildet, dass er aufeinanderfolgende Segmente des verbrauchbaren Filaments dem Verflüssiger 20 des Druckkopfs 18 mit höherer Zuverlässigkeit und größerer Kraft zuführt als Filamentantriebsmechanismen gemäß dem Stand der Technik. Der Filamentantriebsmechanismus 100 umfasst eine Vielzahl von Inline-Antrieben, die jeweils derart ausgebildet sind, dass sie sich mit einer im Wesentlichen identischen Geschwindigkeit drehen und jeweils durch denselben Antriebsstrang und Motor angetrieben werden.
Der Vierfachantrieb 100 umfasst einen Antriebsblock 200, einen durch den Antriebsblock 200 definierten Filamentpfad 218, eine Getriebebaugruppe 101, die ein äußeres Zahnradteil 104 und ein inneres Zahnradteil 108 umfasst, eine Vielzahl von Zahnrädern 116, 124 und 130, eine Antriebswelle 110, eine Übertragungswelle 120 (wobei diese Vielzahl von Zahnrädern und Wellen durch den Antriebsblock 200 gehalten wird und zusammen einen Getriebezug bildet) und zwei Filamentantriebe 160 und 170 (am besten in 5 - 7 dargestellt), die durch eine Brückenwelle 190 miteinander verbunden sind. Die Getriebebaugruppe 101 ist drehbar an der Antriebswelle 110 befestigt, die Zahnräder 116 und 124 sind drehfest mit der Getriebewelle 120 verbunden, und das Zahnrad 130 ist drehfest mit einer Keilnut 140 der Antriebswelle 110 verbunden. Die Getriebebaugruppe 101 und das Zahnrad 116 befinden sich in der Nähe einer ersten Seite 202 eines Antriebsblocks 200, während sich das Zahnrad 124 und das Zahnrad 130 in der Nähe einer zweiten Seite 204 des Antriebsblocks 200 befinden. Der Getriebezug überträgt Energie vom Motor (nicht dargestellt) im Druckkopf zu den Filamentantrieben 160 und 170, um das Filament in den Verflüssiger 20 vorzuschieben.
In 6 hat der äußere Zahnradteil 104 der Getriebebaugruppe 101 Umfangszähne 102, die in ein Antriebszahnrad des Motors (nicht dargestellt) eingreifen, um die Getriebebaugruppe 101 im Uhrzeigersinn um die Antriebswelle 110 zu drehen, wobei die Zähne 106 des inneren Zahnradteils 108 in die Zähne 114 des Zahnrads 116 eingreifen, das direkt unter dem Zahnrad 108 angeordnet ist. Das Zahnrad 116 dreht dann die Getriebewelle 120 im Gegenuhrzeigersinn, die wiederum das Zahnrad 124 im Gegenuhrzeigersinn dreht. Die Zahnräder 126 des Zahnrads 124 greifen in die Zahnräder 128 des Zahnrads 130 ein, was eine Drehung der Antriebswelle 110 im Uhrzeigersinn bewirkt. Auf diese Weise überträgt die Getriebewelle 120 Leistung über den Antriebsblock 200 von der ersten Seite 202 zur zweiten Seite 204.
Während ein Getriebestrang-Antriebssystem dargestellt ist, um die Antriebswelle 140 in einer Weise mit Energie zu versorgen, die die Drehgeschwindigkeit vom Motor zur Abtriebswelle reduziert und dadurch einen mechanischen Vorteil gegenüber der Versorgung des Antriebs direkt vom Motor bietet, kann die vorliegende Offenlegung jeden geeigneten Antriebsstrang verwenden, um Energie vom Motor (nicht dargestellt) zur Antriebswelle 110 zu liefern, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die direkte Kopplung des Motors mit der Antriebswelle 110 und die Verwendung von Riemenkupplungen.
Bezugnehmend auf 5-7 umfasst der Vierfachantrieb 100 zwei Paare von beabstandeten Filamenteingriffsantrieben 160 und 170, die ähnlich aufgebaut sind, und die Brückenwelle 190, wobei die Filamenteingriffsantriebe 160 und 170 und die Brückenwelle 190 von der Antriebswelle 110 angetrieben werden. Der Filamentantrieb 160 umfasst die Antriebswelle 110 und einen Mitnehmerantrieb 161. Die Antriebswelle 110 umfasst ein Zahnrad 142 und Filamenteingriffsabschnitte (z. B. Zähne) 146, die durch eine im Wesentlichen glatte Lagerfläche 144 getrennt sind. Der Mitnehmerantrieb 161 umfasst in ähnlicher Weise ein Zahnrad 162 und Filamenteingriffsabschnitte (z. B. Zähne 166), die durch eine im Wesentlichen glatte Lagerfläche 164 getrennt sind. Die Antriebswelle 110 ist in einem komplementären Hohlraum 210 im Antriebsblock 200 positioniert, wobei der Hohlraum 210 derart ausgebildet ist, dass er mit der Lagerfläche 144 der Antriebswelle 110 in Eingriff steht. Der Mitnehmerantrieb 161 ist in einem komplementären Hohlraum 230 im Antriebsblock 200 positioniert, wobei der Hohlraum 230 auf einer gegenüberliegenden Seite des Filamentpfads 218 positioniert ist und ein Spiegelbild des Hohlraums 210 ist. Der Hohlraum 230 ist derart ausgebildet, dass er an der Lagerfläche 164 des Mitnehmerantriebs 161 anliegt. Das Zahnrad 162 greift in das Zahnrad 142 ein, so dass, wenn das Zahnrad 142 in einer durch Pfeil 145 angezeigten Drehrichtung angetrieben wird, sich das Zahnrad 162 in einer entgegengesetzten Drehrichtung dreht, wie durch Pfeil 165 angezeigt. Durch den Eingriff der Lagerflächen 144, 164 in die Hohlräume des Antriebsblocks 210, 230 wird die korrekte Ausrichtung der Zahnräder und der Filamenteingriffsflächen aufrechterhalten, so dass sich die Antriebswelle 110 und der Mitnehmerantrieb 161 um parallele Rotationsachsen drehen.
Der Filamenteingriffsantrieb 170 umfasst die Abtriebswellen 172 und 180, die die gleiche Konfiguration wie die Abtriebswelle 161 aufweisen. Die Welle 172 umfasst ein Zahnrad 174, das in ein Zahnrad 182 auf der Welle 180 eingreift, so dass sich die angetriebene Welle 180 in einer zur angetriebenen Welle 172 entgegengesetzten Drehrichtung bewegt, wie durch den Pfeil 185 angezeigt. Die Welle 172 ist in einem Hohlraum 250 positioniert und umfasst eine Lagerfläche und einen Filamenteingriffsabschnitt 178 mit Zähnen, die in den Filamentpfad 218 eintreten. Die Welle 172 dreht sich in der gleichen Drehrichtung wie die Antriebswelle 110, wie durch den Pfeil 175 angezeigt. Die Welle 180 ist in einem Hohlraum 260 positioniert und umfasst eine Lagerfläche und einen Filamenteingriffsabschnitt 186 mit Zähnen, die in den Filamentpfad 218 eintreten.
Die Brückenwelle 190 enthält ein Zahnrad 192 mit Zähnen, die mit den Zähnen des Zahnrads 142 der Antriebswelle 110 kämmen, was zu einer Drehung in Pfeilrichtung 195 führt, die der durch den Pfeil 145 angezeigten Drehung der Antriebswelle 110 entgegengesetzt ist. Die Brückenwelle 190 überträgt die Leistung von der Antriebswelle 110 auf den zweiten Antrieb 170 durch das Ineinandergreifen der Zähne des Zahnrads 192 mit den Zähnen des Zahnrads 174 der angetriebenen Welle 172, so dass sich die angetriebene Welle 172 in Richtung des Pfeils 175 dreht, was die gleiche Drehrichtung wie die der Antriebswelle 110 ist.
Die Hohlräume 210, 230, 250 und 260 schneiden den Filamentpfad 218, der sich von einer oberen Kante 220 bis in die Nähe einer unteren Kante 222 des Antriebsblocks 200 erstreckt, so dass die Filamentzähne in das Filament eingreifen und eine Kraft auf das Filament ausüben können, um das Filament aus der Materialquelle zu ziehen und das Filament in einen Verflüssiger zur Extrusion zu treiben, um das 3D-Teil und/oder die Stützstruktur zu bauen. In dem beispielhaften Filamentantriebsmechanismus 100 ist die Brückenwelle 190 innerhalb eines Hohlraums 240 positioniert, der dem der Hohlräume 210 und 230 ähnlich ist. Der Hohlraum 240 ist jedoch von dem Filamentpfad 218 beabstandet, so dass die Brückenwelle 190 nicht mit dem Filament in Eingriff kommt.
Die gegenläufige Drehung der Antriebswelle 110 und des Mitnehmerantriebs 161 in Richtung der Pfeile 145 und 165 führt dazu, dass sich die Filamenteingriffszähne 146 und 166 in den Filamentpfad 218 drehen. Die Zähne des Zahnrads 192 der Brückenwelle 190 greifen in die Zähne eines Zahnrads 174 auf einer angetriebenen Welle 172 des zweiten Filamenteingriffsantriebs 170 ein, der wiederum die Mitnehmerwelle 180 antreibt. Die Bewegung der gegenläufigen Wellen 172 und 180 bewirkt, dass die Zähne 179 bzw. 186 in das Filament eingreifen und eindringen und das Filament in den Verflüssiger treiben.
Im Betrieb verwendet der Vierfachantrieb 100 die ersten und zweiten Filamentantriebe 160 und 170, die synchronisiert sind, um das Filament zu erfassen, um das Filament von der Quelle zu ziehen und das Filament mit der gleichen Rate in den Verflüssiger zu treiben. Da die Antriebswelle 110 durch die mehreren externen Zahnräder mit Strom versorgt wird, werden die Filamentantriebsmechanismen 160 und 170 mit der gleichen Geschwindigkeit drehend bewegt.
Die Antriebswelle 110 dreht sich in der Drehrichtung des Pfeils 145, was aufgrund des Ineinandergreifens der Zahnräder 142 und 162 eine Gegendrehung des Mitnehmerantriebs 161 in der Drehrichtung des Pfeils 165 bewirkt. Die Gegendrehung der Antriebswelle 110 und des Mitnehmerantriebs 161 des ersten Antriebs 160 bewirkt, dass die Zähne in den Filamenteingriffsabschnitten 146 und 166 in die gegenüberliegenden Seiten des Filaments eingreifen und eindringen und das Filament durch den Antriebsblock 200 drücken.
Die Filamentantriebe können phasenverschoben ausgebildet werden, wobei die Zähne des Antriebsrads ineinandergreifen, wie es im Koop-Patent '609 offenbart ist, oder alternativ können sie gleichphasig ausgebildet werden, wobei die gegenüberliegenden Zähne im Einklang mit dem Filament eingreifen, oder sie können auf andere Weise ausgebildet werden. Alle Formen liegen im Rahmen der vorliegenden Offenbarung.
Eine einzige Antriebskraft an der Antriebswelle 110 wird verwendet, um beide Antriebe 160 und 170 mit Energie zu versorgen. Da nur eine Antriebskraft verwendet wird, sind die Antriebe 160 und 170 synchronisiert und stören sich nicht gegenseitig, wenn das Filament von der Quelle 22 und durch das Führungsrohr 26 gezogen wird, wie in 1 dargestellt. Wären die Antriebe 160 und 170 nicht synchronisiert, könnte das Filament dazwischen geknickt oder gedehnt werden.
Unter Bezugnahme auf 8 ist eine alternative Ausführungsform des VierfachAntriebs 100 mit 100A dargestellt, wobei gemeinsame Merkmale mit dem Antrieb 100 mit der gleichen Nummer, gefolgt von „A“ in der Ausführungsform 100A, gekennzeichnet sind. Wenn Merkmale im Filamentantrieb 100A hier nicht beschrieben werden, sind die Merkmale dieselben wie in der Ausführungsform 100 beschrieben.
Der Vierfachantrieb 100A umfasst voneinander beabstandete gegenläufige Antriebe 160A und 170A. Die Brückenwelle 192A ist jedoch die angetriebene Welle, die die gegenläufigen Antriebe 160A und 170A antreibt. Die Brückenwelle 192A greift in die Wellen 110A und 172 in spiegelbildlichen Winkelpositionen ein, so dass die Brückenwelle 192A gleichzeitig beide Antriebe 160A und 170A mit der gleichen Leistung versorgt, was zur Aufrechterhaltung der Synchronität der Antriebe 160A und 170A beiträgt. Außerdem hat die angetriebene Brückenwelle 192A ein Zahnrad mit einem größeren Durchmesser als das Antriebszahnrad 142 im Filamentantrieb 100, was das auf die Antriebe 160A und 170A ausgeübte Drehmoment im Vergleich zu dem von der angetriebenen Welle 140 in der Ausführungsform 100 ausgeübten Drehmoment erhöht. Das erhöhte Drehmoment erhöht die in das Filament eingebrachte Leistung, was dazu beiträgt, das Filament zuverlässig in das Verflüssigungsrohr zu treiben.
Unter Bezugnahme auf 9 und 10 ist ein Sechsfach-Filamentantriebsmechanismus bei 300 dargestellt. Gemeinsame Merkmale mit dem Antrieb 100 sind in der Ausführungsform 300 mit der gleichen Nummer, gefolgt von „B“, gekennzeichnet. Wenn Merkmale im Sechsfachantrieb 300 hier nicht beschrieben sind, sind die Merkmale die gleichen wie in der Ausführungsform 100 beschrieben.
Der Sechsfachantrieb 300 ähnelt dem des Vierfachantriebs 100 in den oberen fünf Wellen, so dass der Filament-Antriebsmechanismus 300 die Antriebe 160 und 170 umfasst, aber auch einen dritten Antrieb 310 enthält. Allerdings wird eine Position der Antriebswelle von der Welle 110 zur Antriebswelle 172B verschoben, und die Welle 110B ist in der Ausführungsform 300 eine Mitnehmerwelle, um die Stromquelle zentral zu platzieren und jedem der Antriebe die gleiche Leistung zuzuführen.
Die Antriebswelle 172B überträgt Leistung an den dritten Antrieb 310 über eine zweite Brückenwelle 312, die ein Zahnrad 314 aufweist, das mit dem Zahnrad 374 der Antriebswelle 172B kämmt und eine Drehung in Richtung des Pfeils 315 bewirkt, die der durch den Pfeil 175 angedeuteten Drehung der Antriebswelle 172B entgegengesetzt ist und dieselbe Drehrichtung wie die erste Brückenwelle 190 hat. Die zweite Brückenwelle 312 überträgt Leistung an den dritten Antrieb 310, der die gleiche Konfiguration wie der zweite Antrieb 170 aufweist.
Das Zahnrad 314 der zweiten Brückenwelle 312 greift in das Zahnrad 332 auf einer angetriebenen Welle 330 des Filamenteingriffsantriebs 310 ein. Die angetriebene Welle 330 ist in einem Hohlraum 360 im Antriebsblock 350 positioniert, der von dem Hohlraum 210 beabstandet ist und die gleiche Ausgestaltung wie der Hohlraum 210 aufweist. Die angetriebene Welle 330 ist strukturell die gleiche wie die erste angetriebene Welle 340 und umfasst das Zahnrad 332, die Lagerfläche und den Filamenteingriffsabschnitt 336, der Zähne aufweist, die in den Filamentpfad 218 eintreten. Die angetriebene Welle 330 dreht sich in der gleichen Drehrichtung wie die Antriebswelle 372, wie durch den Pfeil 335 angedeutet.
Der dritte Filamenteingriffsantrieb 310 umfasst eine angetriebene Welle 340, die die gleiche Ausgestaltung wie die angetriebene Welle 330 und die Mitnehmerwelle 161 aufweist. Die angetriebene Welle 340 hat Zahnräder auf einem Zahnrad 342, die in die Zahnräder auf dem Zahnrad 314 eingreifen, so dass sich die angetriebene Welle 340 in einer entgegengesetzten Drehrichtung zu der der angetriebenen Welle 330 bewegt, wie durch Pfeil 345 angezeigt. Die angetriebene Welle 340 ist in einem Hohlraum 370 positioniert, der die gleiche Ausgestaltung wie der Hohlraum 360 aufweist und vom Hohlraum 360 beabstandet ist. Die angetriebene Welle 340 umfasst eine Lagerfläche und einen Filamenteingriffsabschnitt 346 mit Zähnen, die in den Filamentpfad 218 eintreten.
So umfasst der Antrieb 300 drei Sätze von voneinander beabstandeten Antrieben 160, 170 und 310, die die Anzahl der Kontaktpunkte mit dem Filament erhöhen, um die Antriebskraft für einige Materialien zu steigern. Die Anzahl der Antriebe kann durch Hinzufügen zusätzlicher Überbrückungswellen und Wellenpaare, die an gegenüberliegenden Seiten des Filaments angreifen, erhöht werden.
Bezugnehmend auf 12A ist ein Vierfachantrieb der vorliegenden Offenbarung mit phasenverschobenen Filamenteingriffszähnen dargestellt und veranschaulicht den Eingriff eines Filaments 143 mit niedrigem Durometer mit dem Filamentantriebsmechanismus 100. Der Filament 143 passt sich einem Weg zwischen den Zähnen 149 und 167 der Filamenteingriffsabschnitte 146 und 166 des Antriebs 160 an. Das Filament 143 passt sich auch einem Weg zwischen den Filamentzähnen 179 und 187 an. Eine höhere Anzahl von Zähnen, die in das Filament 143 eingreifen, erhöht die Zugkraft und die Kraft, die auf das Filament 143 einwirkt, im Vergleich zu einer Ausführung mit nur einem Antrieb. Das Material mit niedrigem Durometer neigt jedoch weiterhin dazu, sich zu dehnen, zu verbiegen und von der Eingriffsfläche wegzubewegen.
Bezugnehmend auf 12B ist ein Sechsfachantrieb der vorliegenden Offenbarung mit Filamentantrieben 160, 170 und 310 dargestellt. Die Antriebe 160, 170 und 310 sind mit phasenverschobenen Filamenteingriffszähnen dargestellt und veranschaulichen den Eingriff eines Filaments 143 mit niedrigem Durometer, der sich dem Weg zwischen den Zähnen der Antriebe 160, 170, 310 anpasst.
Bezugnehmend auf 13A und 13B bleibt das Filament 243 im Wesentlichen gerade, wenn die Zähne der Antriebe 160 und 170 eines Vierfachantriebs (13A) oder die Zähne der Antriebe 160, 170 und 310 eines Sechsfachantriebs (13B) in ein im Wesentlichen starres Filament 243 eingreifen. 12A, 12B veranschaulicht im Vergleich zu 13A und 13B die unterschiedliche Wirkung, die dieselben Filamentantriebe auf Filamente unterschiedlicher Härte oder Durometer haben können.
Das durch den Zweifachantriebsmechanismus 160 und 170 und den Dreifachantriebsmechanismus 160, 170 und 310 angetriebene Filament 243 ist in 13C dargestellt. Das Filament 243 enthält phasenverschobene Vertiefungen 245 und 247 als Ergebnis der phasenverschobenen Ausgestaltung des Zweifachantriebsmechanismus 160 und 170 und des Dreifachantriebsmechanismus 160, 170 und 310. Der Radius R, die Länge L zwischen den Mittelpunkten der aufeinanderfolgenden Wellen und die Anzahl der Zähne pro Welle werden derart berücksichtigt, dass die Antriebe in die gleichen Aussparungen oder Kerben eingreifen, die durch den oberen Antrieb 160 und den oberen und mittleren Antrieb 160 und 170 für den Dreifachantriebsmechanismus erzeugt werden. Die Ausrichtung der Antriebe verhindert übermäßige Ablagerungen und erhöht die Zuverlässigkeit des Druckkopfs.
14A und 14B zeigen ein Filament 143 mit niedrigerem Durometer, das von denselben Antrieben wie in 12A und 12B angetrieben wird. Allerdings sind die Zähne in 14A und 14B im Vergleich zu den in 12A und 12B dargestellten phasenverschobenen Zähnen in Phase. Wie in 14A und 14B dargestellt, bewirken die phasengleichen Zähne, dass sich das Filament 143 mit niedrigem Durometer verformt oder in das Filament 143 eindringt, wenn es in Eingriff kommt, aber eine im Wesentlichen gerade Ausgestaltung beibehält, was bei der Erhöhung der Effizienz beim Einführen von Filamenten mit niedrigem Durometer in ein Verflüssigerrohr zur Extrusion von Vorteil sein kann. Der Radius R, die Länge L zwischen den Mittelpunkten der aufeinanderfolgenden Wellen und die Anzahl der Zähne pro Welle werden derart berücksichtigt, dass die Antriebe in die gleichen Aussparungen oder Kerben eingreifen, die durch den oberen Antrieb 160 und die oberen und mittleren Antriebe 160 und 170 für den Dreifachantriebsmechanismus geschaffen werden. Die Ausrichtung der Antriebe verhindert übermäßige Ablagerungen und erhöht die Zuverlässigkeit des Druckkopfs.
Je nach Art des Ausgangsmaterials, das für den Aufbau des 3D-Teils und/oder der Stützstruktur verwendet wird, kann die Ausgestaltung der Filamenteingriffsabschnitte variiert werden. Beim Drucken mit weichem, flexiblem Material, wie z. B. Elastomeren mit einer Shore A-Härte unter 95 oder vorzugsweise zwischen ca. 85 und ca. 95, kann der Filamenteingriffsbereich weniger Zähne mit im Wesentlichen flachen Oberflächen und größeren Tiefen aufweisen.
Bezugnehmend auf 15A-C ist ein gegenläufiger Antrieb dargestellt, der als Zweifachantrieb oder mit den Antrieben 100, 100A (ein Vierfachantrieb) oder dem Antrieb 300 (ein Sechsfachantrieb) verwendet werden kann, wobei Bauteile mit unterschiedlichen Komponenten relativ zu den Antrieben 100, 100A und 300 mit der Bezeichnung (C) das gleiche Bezugszeichen erhalten. Der Antrieb 160C hat Wellen 110C und 161C mit Zähnen 146C und 166C mit im Wesentlichen ebenen Eingriffsflächen 449 und 467. Die Anzahl der Zähne 146C, 166C und die Abmessungen der Stegbreiten 449, 467 können in Abhängigkeit von dem jeweiligen Material, das für das Filament verwendet wird, und dem jeweiligen Drucker variiert werden.
In 15B ist ein Vierfachantrieb mit 160C und 170C dargestellt. Der Antrieb 160C ist derselbe wie in Bezug auf 15A erwähnt. Allerdings kann die Welle 110 angetrieben werden oder die Welle 110A kann ein Mitnehmer sein. Der Antrieb 170C umfasst die gegenläufigen Wellen 178 und 180 mit den Zähnen 178C und 186C mit den Stegbreiten 479 bzw. 487. Auch hier können die Anzahl der Zähne 178C, 186C und die Abmessungen der Stegbreiten 479, 487 je nach dem für das Filament verwendeten Material und dem jeweiligen Drucker variiert werden, haben aber im Wesentlichen die gleiche Anzahl von Zähnen und Abmessungen der flachen Oberfläche wie die der Wellen 110/110A und 161. In 15B sind die Zähne des ersten Antriebs 160C gleichphasig zueinander, die Zähne des zweiten Antriebs 170B sind gleichphasig zueinander, und die Zähne des ersten Antriebs 160C sind außer Phase mit den Zähnen des zweiten Antriebs 170C.
In 15C ist ein Vierfachantrieb mit 160C, 170C und 310C dargestellt. Die Antriebe 160C und 170 sind im Wesentlichen ähnlich zu dem in 15B beschriebenen. Der Unterschied besteht darin, dass die Welle 110A nicht angetrieben ist und die Welle 172B angetrieben ist. Der Antrieb 310C umfasst gegenläufige Wellen 330, 340 mit Zähnen 336C und 346C mit im Wesentlichen ebenen Flächen 489 und 491. Auch hier können die Anzahl der Zähne 336C, 346C und die Abmessungen der Stegbreiten 489, 491 je nach dem für das Filament verwendeten Material und dem jeweiligen Drucker variiert werden, haben aber im Wesentlichen die gleiche Anzahl von Zähnen und die gleichen Abmessungen der flachen Oberfläche wie die der Wellen 110, 161 und 172A, 180. In 15C sind die Zähne des ersten Antriebs 160C und des dritten Antriebs 310C in Phase miteinander, die Zähne des zweiten Antriebs 170B sind in Phase miteinander, und die Zähne des ersten Antriebs 160C und des dritten Antriebs 310C sind außer Phase mit den Zähnen des zweiten Antriebs 170C.
Der Radius R, die Länge L zwischen den Mittelpunkten der aufeinanderfolgenden Wellen und die Anzahl der Zähne pro Welle werden derart berücksichtigt, dass die Antriebe in die gleichen Aussparungen oder Kerben eingreifen, die der obere Antrieb 160C bei einem Vierfachantrieb und der obere und mittlere Antrieb 160C und 170C bei einem Sechsfachantrieb erzeugen. Die Ausrichtung der Antriebe verhindert eine übermäßige Ablagerung von Schmutz und erhöht die Zuverlässigkeit des Druckkopfs.
Als nicht einschränkendes Beispiel können die Filamenteingriffsabschnitte sechzehn Zähne mit einer Tiefe von etwa 0,020 Zoll (0,0508 cm) und einer Stegbreite W im Bereich von etwa 0,08 Zoll (0,2032 cm) bis etwa 0,15 Zoll (0,381 cm) aufweisen. Insbesondere haben die Stegbreiten 449, 467 Stegbreiten W, die von etwa 0,08 Zoll (0,2032 cm) bis etwa 0,12 Zoll (0,3048 cm) und noch spezieller von etwa 0,09 Zoll (0,2286 cm) bis etwa 0,11 Zoll (0,2794 cm) reichen. Die Stegbreiten 449, 467 können flach oder im Wesentlichen flach sein.
Die Zähne 16C, 166C mit den Stegbreiten 449, 467 können mit einem Filamentmaterial mit niedrigerem Durometer verwendet werden, wie z. B. mit einem Filamentmaterial, das weniger als etwa 95 auf der Shore-A-Skala und mehr als etwa 60 Shore A aufweist, sei es als Zweifachantrieb 160C, Vierfachantrieb 160C und 170C und/oder Sechsfachantrieb 160C, 170C und 310C. Insbesondere kann der Durometer des Filamentmaterials zwischen etwa 75 und etwa 95 auf der Shore-A-Skala oder zwischen etwa 85 und etwa 95 auf der Shore-A-Skala liegen. Wie dargestellt, sind die Stegbreiten 449, 467 der Zähne 446, 466 gleichphasig, können aber auch phasenverschoben sein.
Wenn die Stegbreiten 449, 467 der in Phase befindlichen Zähne, ein Filament mit niedrigem Durometer 143 von den ausgerichteten, flachen Eingriffszähnen ergriffen wird, verbleibt es im Filamentpfad mit reduzierter oder Biegung und Durchbiegung. Das flache Profil der Eingriffszähne 444, 166 vermeidet oder minimiert das Durchstechen der Oberfläche eines Filaments mit niedrigem Durometer 443, und wenn es durchstochen wird, werden dieselben Durchstiche verwendet, wenn das Filament durch aufeinanderfolgende Antriebe getrieben wird, da festgestellt wurde, dass sich unerwünschtes Material in den Antrieben ansammelt und Verstopfung und Verklemmung verursacht, wenn das weiche Material durchstochen wird.
Unter Bezugnahme auf 16A-C ist ein gegenläufiger Filamentantrieb dargestellt, der als Zweifachantrieb, wie in 16A dargestellt, mit dem Antrieb 100, 100A (ein Vierfachantrieb), wie in 16B dargestellt, oder dem Antrieb 300 (ein Sechsfachantrieb), wie in 16C dargestellt, verwendet werden kann, um härtere Filamente 480, wie z. B. gebundene Partikelfilamente, wie zuvor beschrieben, effektiv und genau zu ziehen, wobei Komponenten mit unterschiedlichen Komponenten in Bezug auf die Antriebe 100, 100A und 300 mit dem gleichen Bezugszeichen mit der Bezeichnung (D) versehen werden. Die härteren Filamente 480 können mit einem standardmäßigen gegenläufigen Antrieb aufgrund von Schlupf schwer zu greifen sein, da die Zähne das Filament nicht durchdringen können. Der in 16A-C dargestellte und offenbarte Filamentantrieb hat gegenläufige Antriebe mit eng beieinanderliegenden Zähnen, so dass eine größere Anzahl von Zähnen in jedem Antrieb in das Filament eingreift.
Wie dargestellt, umfasst der Antrieb 32 gleichmäßig voneinander beabstandete Zähne. Die angegebene Anzahl von Zähnen ist jedoch nicht einschränkend. Ein nicht begrenzender Bereich der scharfen Kante der Zähne reicht von etwa 0,001 Zoll (0.00254 cm) bis etwa 0,003 Zoll (0,00762 cm), wobei die Zähne phasengleich oder phasenverschoben sein können.
Wie in 16A dargestellt, ist ein Zweifachantrieb 160C abgebildet, der den Antrieb 110 und die Mitnehmerwelle 161 umfasst. Jede Welle 110 und 161 enthält eine Vielzahl von voneinander beabstandeten Zähnen 492 bzw. 493. Die unmittelbare Nähe der benachbarten Zähne 492 und 493 erhöht die Anzahl der Kontaktpunkte mit dem Filament 480, wenn das Filament durch den Antrieb 160A getrieben wird. Die Anzahl der Kontaktpunkte und die scharfen Kanten der Zähne erhöhen die Griffigkeit auf dem Filament 480, was beim Antrieb des harten Filaments von Vorteil ist.
16B zeigt einen Vierfachantrieb mit den Antrieben 160D und 170D. Der Vierfachantrieb 160D wurde in Bezug auf 16A beschrieben. Die Welle kann jedoch entweder eine Antriebswelle 110 sein oder wie oben beschrieben von der Abtriebswelle 110A angetrieben werden. Der Antrieb 17D umfasst gegenläufige Wellen 172 und 180 mit einer Vielzahl von Zähnen 494 und 495, die ähnlich ausgestaltet sind wie die der Zähne 492 und 493.
16C zeigt einen Sechsfachantrieb mit den Antrieben 160D, 170D und 310D. Der Antrieb 170D umfasst die Antriebswelle 172A und der Antrieb 160D umfasst die Abtriebswelle 110A. Der Antrieb 310D umfasst gegenläufige Wellen 330 und 340 mit voneinander beabstandeten, im Wesentlichen gleichförmigen Zähnen 496 und 497, die im Wesentlichen die gleiche Ausgestaltung wie die der Zähne 492-495 aufweisen. Die Verwendung einer erhöhten Anzahl von Antrieben erhöht die Kontaktpunkte mit dem harten Filament, was wiederum die Zuverlässigkeit der Vorschubgeschwindigkeit des Filaments in den Verflüssiger erhöht.
17 zeigt einen Zweifachantrieb 160E mit einer Antriebswelle 110 und einer Abtriebswelle 161 mit unterschiedlicher Zähnezahl 500 bzw. 502. Wie dargestellt, hat die angetriebene Welle 161 die doppelte Anzahl von Zähnen als die Antriebswelle 110 oder ein Verhältnis von 2:1. Es hat sich gezeigt, dass diese Ausführungsform die Schwankungen der Wulstbreite, die dadurch entstehen, dass die angetriebene Welle 161 weniger stabil ist als die Antriebswelle 110 (die direkt vom Motor angetrieben wird), abmildert, indem die zyklische Art und Weise, in der die angetriebene Welle 161 mit dem Filament 143 in Eingriff kommt, reduziert wird. Die Verringerung der Variabilität der Raupenbreite führt dazu, dass ein Teil genauer gedruckt werden kann. Während auf der angetriebenen Welle 502 die doppelte Anzahl von Zähnen 502 dargestellt ist und auf der Antriebswelle 110 eine geringere Anzahl von Zähnen 500 (Verlaufszähne) angeordnet ist, können auch andere Variationen als 2:1 verwendet werden, einschließlich eines Verhältnisses im Bereich von etwa 1,5:1 und etwa 3,0:1 und noch spezieller ein Verhältnis im Bereich von etwa 1,8:1 und etwa 2,2:1.
Bezugnehmend auf 18, wenn ein Antrieb mit einem 2:1-Verhältnis von Zähnen verwendet wird, wechseln die Vertiefungen im Filament vom Mitnehmerantrieb von phasengleich zu phasenverschoben in Bezug auf den Antrieb 160D. Es hat sich gezeigt, dass das Wechseln der angetriebenen Welle 161 relativ zur Antriebswelle 110 die Variation der Wulstbreite verringert. Die Eindrücke im Filament 510 veranschaulichen den abwechselnden Eingriff zwischen phasengleich 512 und 514 und phasenverschoben 512, 516 und 518. Obwohl als Zweifachantrieb 160E dargestellt, können mehrere Antriebe in Reihe, wie z. B. ein Vierfachantrieb und ein Sechsfachantrieb, dem Antrieb wie oben beschrieben hinzugefügt werden.
Obwohl die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, dass Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Claims

Filamentantriebsmechanismus zur Verwendung mit einem additiven Fertigungssystem, wobei der Filamentantriebsmechanismus umfasst: einen Filamentantriebsmechanismus, der einen ersten Antrieb und einen zweiten Antrieb umfasst, die voneinander beabstandet sind, wobei jeder Antrieb umfasst: eine erste drehbare Welle; eine zweite drehbare Welle, die mit der ersten drehbaren Welle in einer gegenläufigen Konfiguration in Eingriff steht; ein Paar von Filamenteingriffselementen, die jeweils eine Vielzahl von Zähnen umfassen, eines auf jeder drehbaren Welle, und die auf gegenüberliegenden Seiten des Filamentpfades mit einem Spalt dazwischen positioniert sind, um mit einem im Filamentpfad vorgesehenen Filament in Eingriff zu kommen; und eine Brückenwelle, die derart ausgebildet ist, dass sie den ersten Antrieb mit dem zweiten Antrieb drehbar koppelt; wobei eine der Wellen eine Antriebswelle ist, die derart ausgebildet ist, dass sie von einem Motor mit einer Drehzahl angetrieben wird, die derart gewählt ist, dass das Filament mit einer gewünschten Vorschubgeschwindigkeit vorwärts bewegt wird, und dass die anderen Wellen veranlasst werden, sich mit der gleichen Drehzahl zu drehen, so dass jedes Paar von Filamenteingriffszähnen in ein Filament im Filamentpfad eingreift und koordiniert wird, um das Filament vorwärts zu bewegen, während es sich mit der gleichen Drehzahl gegenläufig dreht, um das Filament in einen Verflüssiger zu treiben.
Filamentantriebssystem nach Anspruch 1, wobei die Antriebswelle die erste drehbare Welle des ersten Antriebs oder des zweiten Antriebs umfasst.
Filamentantriebssystem nach Anspruch 1, wobei die Antriebswelle die Brückenwelle umfasst.
Filament-Antriebsmechanismus nach Anspruch 1, wobei mindestens vier Zähne jedes Paares von Filamenteingriffselementen zu jeder Zeit in das Filament eingreifen.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 1, wobei die Filamenteingriffselemente Antriebsräder umfassen.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 1, ferner umfassend ein vom Motor angetriebenes Getriebe zum Drehen der Wellen.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 1, wobei der mindestens erste und zweite Antrieb jeweils ferner umfasst: erste Zahnradzähne, die sich um einen Umfang der ersten Drehwelle erstrecken; und zweite Zahnradzähne, die sich um einen Umfang der zweiten Drehwelle erstrecken, wobei die zweiten Zahnradzähne mit den ersten Zahnradzähnen kämmen; und wobei die Drehung der ersten Drehwelle die Drehung der zweiten Drehwelle in einer entgegengesetzten Drehrichtung bewirkt.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 1, wobei die Brückenwelle Zahnräder aufweist, die in Zahnräder auf dem ersten und zweiten Antrieb eingreifen, so dass der erste und zweite Antrieb das Filament mit einer im Wesentlichen ähnlichen Drehzahl in Eingriff nehmen.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Antriebsblock, wobei der Antriebsblock umfasst: einen Kanal, der den Filamentpfad umfasst; und eine Vielzahl von Paaren von beabstandeten Hohlräumen auf gegenüberliegenden Seiten des Filamentpfades, wobei jeder Hohlraum den Filamentpfad so schneidet, dass Abschnitte der ersten und zweiten Eingriffsflächen der Vielzahl von Filamentantrieben derart ausgebildet sind, dass sie in den Filamentpfad eintreten und drehbar mit dem Filament in Eingriff stehen.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 1, ferner umfassend einen dritten Antrieb, wobei der zweite Antrieb zwischen dem ersten Antrieb und dem dritten Antrieb angeordnet ist.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 10, ferner umfassend: wobei die erste Brückenwelle Zahnräder aufweist, die in die Zahnräder des ersten und zweiten Antriebs eingreifen, so dass die Leistung vom zweiten Antrieb auf den ersten Antrieb übertragen wird; eine zweite Brückenwelle mit Zahnrädern, die in Zahnräder auf dem dritten und zweiten Antrieb eingreifen, so dass Leistung vom zweiten Antrieb auf den dritten Antrieb übertragen wird; und wobei der erste, der zweite und der dritte Antrieb derart ausgebildet sind, dass sie das Filament mit einer im Wesentlichen ähnlichen Drehzahl in Eingriff nehmen.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 1, wobei die Zähne eine Kantenbreite im Bereich von etwa 0,001 Zoll (0,00254 cm) bis etwa 0,003 Zoll (0,00762 cm) aufweisen.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 1, wobei die Zähne eine Stegbreite im Bereich von etwa 0,08 Zoll (0,2032 cm) bis etwa 0,15 Zoll (0,381cm) aufweisen.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 13, wobei die Stegbreite eine im Wesentlichen flache Oberfläche ist.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 1, wobei der erste Filamentantrieb und die gleiche Anzahl von Zähnen, und wobei die Zähne des ersten Antriebs in Phase miteinander sind, und die Zähne des zweiten Antriebs in Phase miteinander sind.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der Zähne im ersten Antrieb und die Anzahl der Zähne im zweiten Antrieb unterschiedlich sind.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 16, wobei das Verhältnis der Zähne im ersten Antrieb und im zweiten Antrieb sich im Bereich von etwa 1,5:1 bis etwa 3,0:1 befindet.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 15, wobei die Zähne des ersten Antriebs außer Phase mit den Zähnen des zweiten Antriebs sind.
Filamentantriebsmechanismus zur Verwendung beim Antrieb eines elastomeren Filaments in einem additiven Fertigungssystem, wobei der Filamentantriebsmechanismus umfasst: einen ersten Antrieb, umfassend: eine erste drehbare Welle; eine zweite drehbare Welle, die mit der ersten drehbaren Welle in einer gegenläufigen Konfiguration in Eingriff steht; und eine Vielzahl von Zähnen auf jeder drehbaren Welle, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Filamentpfades mit einem Spalt dazwischen positioniert sind, um mit einem im Filamentpfad vorgesehenen Filament in Eingriff zu kommen, wobei die Vielzahl von Zähnen eine Stegbreite im Bereich von etwa 0,08 Zoll (0,2032 cm) bis etwa 0,15 Zoll (0,381 cm) aufweist.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 19, wobei die Vielzahl der Zähne auf jeder Welle in Phase sind.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 19, ferner umfassend: einen zweiten Antrieb, der von dem ersten Antrieb beabstandet ist, wobei der zweite Antrieb umfasst: eine dritte drehbare Welle; eine vierte drehbare Welle, die mit der dritten drehbaren Welle in einer gegenläufigen Konfiguration in Eingriff steht; eine Vielzahl von Zähnen auf jeder drehbaren Welle des zweiten Antriebs, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Filamentpfads mit einem Spalt dazwischen positioniert sind, um mit einem im Filamentpfad vorgesehenen Filament in Eingriff zu kommen, wobei die Vielzahl von Zähnen eine Stegbreite im Bereich von etwa 0,08 Zoll (0,2032 cm) bis etwa 0,15 Zoll (0,381 cm) aufweist; und eine erste Brückenwelle, die derart ausgebildet ist, dass sie den ersten Antrieb und den zweiten Antrieb drehbar koppelt.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 21, wobei der zweite Filamentantrieb von dem ersten Filamentantrieb um einen ersten ausgewählten Abstand beabstandet ist, der bewirkt, dass die Vielzahl von Zähnen in dem zweiten Antrieb das Filament an im Wesentlichen derselben Vielzahl von Stellen darauf in Eingriff nimmt wie die Vielzahl von Zähnen in dem ersten Antrieb.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 21, ferner umfassend: einen dritten Antrieb, der von dem zweiten Antrieb beabstandet ist, wobei der dritte Antrieb umfasst: eine fünfte drehbare Welle; eine sechste drehbare Welle, die mit der ersten drehbaren Welle in einer gegenläufigen Konfiguration in Eingriff steht; eine Vielzahl von Zähnen auf jeder drehbaren Welle des dritten Antriebs, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Filamentpfads mit einem Spalt dazwischen positioniert sind, um mit einem im Filamentpfad vorgesehenen Filament in Eingriff zu kommen, wobei die Vielzahl von Zähnen eine Stegbreite im Bereich von etwa 0,08 Zoll (0,2032 cm) bis etwa 0,15 Zoll (0,381 cm) aufweist; eine zweite Brückenwelle, die derart ausgebildet ist, dass sie den zweiten Antrieb und den dritten Antrieb drehbar koppelt, so dass der erste, der zweite und der dritte Antrieb sich im Wesentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit drehen.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 21, wobei die Zähne des ersten Antriebs in Phase zueinander sind, die Zähne des zweiten Antriebs in Phase zueinander sind und die Zähne des ersten Antriebs außer Phase mit den Zähnen des zweiten Antriebs sind.
Filamentantriebsmechanismus zur Verwendung mit einem additiven Fertigungssystem, wobei der Filamentantriebsmechanismus umfasst: einen Vierfachantrieb, der einen ersten Antrieb und einen zweiten Antrieb umfasst, wobei der erste Antrieb und der zweite Antrieb jeweils ein Paar gegenläufiger Filamenteingriffselemente umfassen, wobei einer einzelnen Welle des Vierfachantriebs direkt oder indirekt Energie zugeführt wird, so dass sich jede Welle, die zum Eingriff mit dem Filament ausgebildet ist, mit derselben Geschwindigkeit dreht.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 25, wobei einer ersten drehbaren Welle des ersten Antriebs oder dem zweiten Antrieb des Vierfachantriebs Energie zugeführt wird.
Filamentantriebsmechanismusnach Anspruch 25, wobei einer ersten Brückenwelle des Vierfachantriebs Energie zugeführt wird.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 25, wobei die Filamenteingriffselemente eine Vielzahl von Zähnen mit einer Kantenbreite im Bereich von etwa 0,001 Zoll (0,00254 cm) bis etwa 0,003 Zoll (0,00762 cm) umfassen.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 25, wobei die Filamenteingriffselemente eine Vielzahl von Zähnen mit einer Stegbreite im Bereich von etwa 0,08 Zoll (0,2032 cm) bis etwa 0,15 Zoll (0,381 cm) umfassen.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 29, wobei die Stegbreite eine im Wesentlichen flache Oberfläche ist.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 29, wobei die Filamenteingriffselemente eine Vielzahl von gegenläufig drehenden Zähnen umfassen und wobei die Zähne des ersten Antriebs in Phase miteinander sind, die Zähne des zweiten Antriebs in Phase miteinander sind und die Zähne des ersten Antriebs außer Phase mit den Zähnen des zweiten Antriebs sind.
Filamentantriebsmechanismus nach Anspruch 25, ferner umfassend: einen dritten Antrieb, der ein Paar gegenläufiger Filamenteingriffselemente umfasst, wobei der dritte Antrieb drehbar mit dem Vierfachantrieb gekoppelt ist, um einen Sechsfachantrieb zu bilden, wobei, wenn einer einzelnen Welle des Sechsfachantriebs Energie zugeführt wird, die gegenläufigen Filamenteingriffselemente des ersten, zweiten und dritten Antriebs sich jeweils mit der gleichen Drehzahl drehen.