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Title:
3D PRINT HEAD FOR USE IN A 3D PRINTER, 3D PRINTER COMPRISING SUCH A 3D PRINT HEAD, METHOD FOR OPERATING SUCH A 3D PRINTER, AND PRINTED ITEM PRODUCED BY SUCH A 3D PRINTER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/149546
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a 3D print head for additively building up a component, comprising a chamber that is designed to receive liquid or solid printing material through an inlet, the chamber having an outlet that is provided and designed to apply liquid or liquefied printing material to a surface, and a device that is provided and designed to input ultrasonic waves into a welding region of the surface in the surroundings of the outlet before/during/after the printing material is applied.

Inventors:
STUBENRUSS, Moritz (Mahr 112/a, Bressanone, 39042, IT)
Application Number:
EP2019/051236
Publication Date:
August 08, 2019
Filing Date:
January 18, 2019
Export Citation:
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Assignee:
STARFORT DES STUBENRUSS MORITZ (Mahr 112/a, Bressanone, 39042, IT)
International Classes:
B33Y80/00; B29C64/10; B29C64/106; B29C64/118; B29C64/209; B29C64/227; B29C64/232; B29C64/236; B29C64/245; B29C64/255; B29C64/295; B29C64/30; B33Y10/00; B33Y30/00; B33Y40/00
Domestic Patent References:
WO2018015092A12018-01-25
WO2016020150A12016-02-11
WO2018015092A12018-01-25
Foreign References:
US20170173879A12017-06-22
EP2191956A12010-06-02
EP2191956A12010-06-02
US20170173879A12017-06-22
Attorney, Agent or Firm:
SCHMIDT, Steffen J. (WUESTHOFF & WUESTHOFF Patentanwälte PartG mbB, Schweigerstrasse 2, München, 81541, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Ein 3D-Druckerkopf (100) zum additiven Aufbauen eines Bauteils, mit

- einer Kammer (110), die dazu eingerichtet ist, durch einen Einlass (114) flüssiges oder festes Druckmaterial (DM) zu erhalten, wobei

-- die Kammer (110) einen Auslass (120) aufweist, vorgesehen und eingerichtet zum Aufträgen von flüssigem oder verflüssigtem Druckmaterial (DM) auf eine Fläche (F), und

- einem Ultraschallwellengeber (200), vorgesehen und eingerichtet ist zum

Ultraschallwelieneintrag in einen Verschweißungsbereich (VB) der Fläche (F) in einer Umgebung des Auslasses (120) bei dem Aufträgen des Druckmaterials (DM), wobei

- in der Kammer (110) eine Spiralförderschnecke (130) angeordnet ist, vorgesehen und eingerichtet zum kontrollierten Ausbringen des Druckmaterials (DM) aus dem Auslass (120) der Kammer (110), und wobei

- die Spiralförderschnecke (130) die Sonotrode (210) bildet oder die Sonotrode (210) zumindest ein Teil der Spiralförderschnecke (130) ist.

2. Der 3D-Druckerkopf (100) nach Anspruch 1, wobei der Auslass (120) zu einer das aufzubauende Bauteil tragenden Fläche (F) hin gerichtet ist, und zum Ausbringen des Druckmaterials (DM) aus dem 3D-Druckerkopf dient, und/oder wobei für die Verarbeitung thermoplastischen Kunststoffmaterials die Kammer (110) eine Heizeinrichtung (138) aufweist, die dazu vorgesehen und ein- gerichtet ist, das thermoplastische Kunststoffmaterial auf seine Schmelztemperatur zu erwärmen.

3. Der 3D-Druckerkopf (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ultraschallwellengeber (200), relativ zu dem Auslass (120) so angeordnet ist, dass er in dem Verschweißungsbereich der Fläche (F) Ultraschallwellen (USW) zuführt um in dem Verschweißungsbereich (VB) die Fläche (F) derart zu erwärmen, dass die Fläche (F), zumindest an ihrer Oberfläche erweicht und sich mit dem neu aufzutragendem Druckmaterial (DM) verbindet.

4. Der 3D-Druckerkopf (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Einrichtung (400) zum Kühlen relativ zu dem Auslass (120) so angeordnet ist und eingerichtet ist, dass sie neu aufge- tragenes Kunststoffmaterial nach dem Aufträgen zusammen mit dem bereits ausgebrachten Kunststoffmaterial abkühlt.

5. Der 3D-Druckerkopf (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Ultraschallwellengeber (200) relativ zu dem Auslass (120) so angeordnet ist, dass der Ultraschallwelleneintrag in die Fläche (F) vor, mit und/oder nach dem neu aufzubringenden Kunststoffmaterial oder von schräg oben seitlich relativ zu dem Auslass (120) erfolgt.

6. Der 3D-Druckerkopf (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Ultraschallwellengeber (200) einen Schwinger aufweist, der einen piezoelektrischen Konverter, ggf. einen Amplituden- transformator, und eine Sonotrode (210) umfasst, wobei die Sonotrode (210) dazu eingerichtet ist, direkten Kontakt zu dem zu verarbeitenden Kunststoff material zu haben, und / oder wobei die Amplitude des Schwingers zwischen etwa 5 und 50 pm beträgt.

7. Der 3D-Druckerkopf (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Ultraschallquelle am 3D-Druckerkopf und/oder an dessen Auslass (120) so angebracht ist, dass in das Druckmaterial (DM) Ultraschallwellen in Richtung der Auslasses (120) eingebracht werden.

8. Der 3D-Druckerkopf (100) nach Anspruch 7, wobei die Ultraschallquelle (200) eine Sonotrode (210) aufweist, die ein den Auslass (120) der Kammer (110) umgebendes oder bildendes Teil ist, das vorzugsweise als konisches Rohr gestaltet ist, durch das das Druckmaterial (DM) auszubringen ist, und in dem sich die Ultraschallschwingungen in dem Druckmaterial (DM) zwischen einer in der Kammer (110) angeordneten Spiralförderschnecke (130) und der Fläche des entstehenden Bauteils ausbreiten, und / oder wobei die Ultraschallschwingung vorzugsweise eine longitudinale Richtung koaxial zur Mittellängsachse des Auslasses (120) des 3D-Druckkopfes (100) aufweist.

9. Der 3D-Druckerkopf (100) nach Anspruch 1, wobei die Spiralförderschnecke (130) auf ihrer von einer Bodenfläche der Kammer (110) abgewandten Seite mit einer stabförmigen Welle (132) versehen ist, durch die der Spiralförderschnecke (130) sowohl eine Drehbewegung aufzuprägen ist, als auch eine Längsbewegung zu der Bodenfläche der Kammer (110) hin und von dieser weg, und wobei diese stabförmige Welle (132) mit dem piezoelektrischen Konverter (200) gekoppelt und dazu eingerichtet ist, der Spiralförderschnecke (130) eine Ultraschallschwingung vorzugsweise in longitudinaler Richtung koaxial zur Mittellängsachse der stabförmigen Welle (132) aufzuprägen.

10. Der 3D-Druckerkopf (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spiralförder¬ schnecke (130) eine Unterseite aufweist, die in ihrem Zentrum so gestaltet ist, dass die Richtung der Ausbreitung der Ultraschallwellen zum Auslass (120) der Kammer (110) hin orientiert und/oder fokussiert ist.

11. Der 3D-Druckerkopf (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spiralförderschnecke (130) in ihrem Zentrum zum Auslass (120) der Kammer (110) hin konkav gewölbt ist.

12. Der 3D-Druckerkopf (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Einrichtung (500) zum berührenden oder berührungslosen Erfassen der Temperatur der Fläche (F) im Bereich der Umgebung des Auslasses (120) vor und/oder nach dem neu aufzubringenden Kunststoffmaterial vorge¬ sehen ist.

13. Der 3D-Druckerkopf (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Ultraschallwellengeber (200) und/oder die Einrichtung (400) zum Kühlen und/oder die Einrichtung (500) zum berührenden oder berührungslosen Erfassen der Temperatur der Fläche (F) so angeordnet sind, dass sie bei einem Bewegen des 3D-Druckerkopfes relativ zu der Fläche (F) sich mit bewegen, und/oder wobei der Ultraschallwellengeber (200) und die Einrichtung (400) zum Kühlen auf einen dem Auslass (200) auf dem Verfahrweg des 3D-Druckerkopfes nacheilenden Bereich (FN) der Fläche (F) ge- richtet ist, und/oder wobei die Einrichtung (400) zum Kühlen dazu eingerichtet sind, die Fläche berührend oder berührungslos kühlen, und/oder durch ein oder mehrere Peltierelemente (PE) realisiert sind.

14. Ein 3D-Drucker mit einem 3D-Druckerkopf (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprü- che, wobei der 3D-Drucker den 3D-Druckerkopf (100) relativ zu einer ebenen Aufnahme (300)s für ein Druckerzeugnis oder Bauteil entlang wenigstens einer oder um eine geometrische Achse (x, y, z; z, Theta) mittels einer Steuerung gesteuert bewegt um ein 3D-Druckerzeugnis zu erhalten.

15. Verfahren zum additiven Herstellen eines Druckerzeugnisses oder Bauteils, mit einem 3D-Druckerkopf (100), mit den Schritten

- Einträgen von flüssigem oder festem Druckmaterial (DM) in eine Kammer (110) durch einen Einlass (114),

- Austragen von flüssigem oder verflüssigtem Druckmaterial (DM) aus der Kammer (110) durch einen Auslass (120) auf eine Fläche (F), und

- Einträgen von Ultraschallwellen (USW) in einen Verschweißungsbereich der Fläche (F) in eine Umgebung des Auslasses (120) bei dem Aufträgen des Druckmaterials (DM), wobei

- in der Kammer (110) eine Spiralförderschnecke (130) angeordnet ist, vorgesehen und eingerichtet zum kontrollierten Ausbringen des Druckmaterials (DM) aus dem Auslass (120) der Kammer (110), und wobei

- die Spiralförderschnecke (130) die Sonotrode (210) bildet oder die Sonotrode (210) zumindest ein Teil der Spiralförderschnecke (130) ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Ultraschallwelleneintrag relativ zu dem Auslass (120) so erfolgt, dass in dem Verschweißungsbereich der Fläche (F) Ultraschallwellen zugeführt wird um in dem Verschweißungsbereich die Fläche (F) derart zu erwärmen, dass die Fläche (F), zumindest an ihrer Oberfläche erweicht und sich mit dem neu aufzutragendem Druckmaterial (DM) verbindet, und/oder wobei

der Ultraschallwelleneintrag so zu bemessen ist, dass im Bereich des Aufeinandertreffens des neu aufzubringenden Kunststoffmaterials auf die Fläche (F) diese kurzzeitig zumindest weich oder flüssig wird, oder - abhängig von einer Verfahrgeschwindigkeit des 3 D- Druckerkopfes (100) relativ zu der Fläche (F) der Ultraschallwelieneintrag so zu bemessen ist, dass jeweils ein Bereich von bis zu etwa 5 mm in der Umgebung des Auslasses (120) erweicht / verflüssigt wird, oder

- abhängig von einer Durchtrittsfläche des Auslasses (120) und dessen Abstandes (A) von der Fläche (F) der Ultraschallwelleneintrag so zu bemessen ist, dass jeweils ein Bereich von etwa dem 2 - 10-fachen der Durchtrittsfläche des Auslasses aus in der Umgebung des Auslasses (120) er- weicht / verflüssigt wird, oder

- dass der Ultraschallwelleneintrag nur in dem Bereich erfolgt, der momentan von dem Auslass (120) überfahren wird.

17. Ein Druckerzeugnis, erhältlich mittels des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Verfah- rensansprüche, und/oder mittels einer Vorrichtung nach einem der Vorrichtungsansprüche.

Description:
Ein 3D-Druckkopf zum Einsatz in einem 3D-Drucker, ein 3D-Drucker mit einem solchen 3D-Druckkoof, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen 3D-Druckers, und mit einem solchen 3D-Drucker

Beschreibung

Hintergrund

Hier werden ein 3D-Drucker, ein 3D-Druckkopf zum Einsatz in einem solchen 3D-Drucker, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen 3D-Druckers, und ein mit einem solchen 3D-Drucker hergestelltes Druckerzeugnis offenbart. Details hierzu sind in den Ansprüchen definiert; aber auch die Beschreibung und die Zeichnung enthalten relevante Angaben zur Struktur und zur Funktionsweise sowie zu Varianten des Verfahrens und den Vorrichtungskomponenten.

Stand der Technik

Die WO 2016 020150 Al (Stubenruss) betrifft eine Granulatkörner-/ Fi üssig keitsf I ussei nstel I vor- richtung für von Granulatkörnern und/oder Flüssigkeiten gespeiste 3D-Druckerköpfe. Dieses System liefert bei einem hohen Materialaustrag (Volumen des Druckmaterials pro Zeiteinheit) hochqualitative Druckerzeugnisse aus unterschiedlichen Materialien und Zuschlagstoffen mit sehr hoher Präzision und gleichmäßiger Schichtdicke, Dazu hat der dort offenbarte 3D-Druckerkopf eine Kammer mit einer (Boden-)Fläche, in der eine Austrittsöffnung vorgesehen ist. In der Kammer befindet sich eine Spiralförderschnecke, die das Druckmaterial der Austrittsöffnung zuführt. Ein Kraft- erzeuger drängt die Spiralförderschnecke in Richtung der Fläche, wobei der Abstand zwischen der Spiralförderschnecke und der Fläche durch den Druck des zuzuführenden Druckmaterials einstellbar ist.

Die relative Drehgeschwindigkeit zwischen der Fläche und der Spiralförderschnecke ist in Abhän ¬ gigkeit von dem Druck des Druckmaterials einstellbar. Diese Anordnung leitet Granulatkörner oder Flüssigkeiten durch einen Zufuhrkanal in die Kammer mit der die Austrittsöffnung aufweisenden Platte. Durch die Austrittsöffnung kann aus dem Granulat oder den Flüssigkeiten erhaltenes, geschmolzenes oder flüssiges Druckmaterial austreten. Das Druckmaterial wird in Richtung der Kammer-Austrittsöffnung geleitet, oder das Druckmaterial wird wieder in eine von der Austrittsöffnung abgewandte Richtung durch Rotieren der Spiralförderschnecke relativ zu der Platte gebracht, wobei bei zu großem Druck des Druckmaterials sich die Spiralförderschnecke gegen die einwirkende axiale Kraft erhebt und die Wirksamkeit der Spiralförderschnecke abnimmt.

Beim Schmelzschichtungs-Druckverfahren wird flüssiges oder (durch Wärme) verflüssigtes Kunststoffmaterial aus einer Düse auf ein bereits vorhandenes, vorher ausgebrachtes Kunststoff- material aufgebracht um ein Bauteil oder Werkstück additiv aufzubauen. Dabei darf das bereits vorhandene Kunststoffmaterial nicht so heiß sein, dass es nennenswert verläuft und dabei seine Form verliert, während das neu aufzubringende Kunststoffmaterial nicht so heiß sein darf, dass es chemisch zerfällt oder seine gewünschten physikalischen Eigenschaften nach dem Erkalten nicht (mehr) erreicht. Der Temperaturunterschied zwischen dem bereits ausgebrachten Kunststoffmaterial und dem neu aufzubringenden Kunststoffmaterial an der Grenzschicht zwischen ihnen reicht oft nicht aus um deren innige und gleichmäßige Verschweißung sicher zu stellen.

Die EP 2 191 956 Al betrifft eine Vorrichtung zur selektiven Abscheidung von geschmolzenem Kunststoffmaterial, die eine Schmelzkammer zum Schmelzen des Kunststoffs durch Ultraschallenergie umfasst, versehen mit einem Auslass für ein kontrolliertes Zuführen von Kunststoffmaterial. Die Schmelzkammer ist verbunden mit einem in Schwingung vesetzbaren Endabschnitt, einer Sonotrode eines Ultraschallwandlers, einem Durchgang zum Zuführen von Kunststoffmaterial, und mindestens einer Auslassöffnung für den geschmolzenen Kunststoff. Die Öffnung ist mit einem Verteilerkörper verbunden.

Die US 2017/0173879 Al betrifft einen Drucker für die dreidimensionale Herstellung von metalli ¬ schen Objekten. Dieser hat ein Reservoir zur Aufnahme eines metallischen Baumaterials aus einer Quelle, das metallische Baumaterial hat einen Arbeitstemperaturbereich zwischen einem festen und einem flüssigen Zustand, in dem der metallische Baustoff plastische Eigenschaften aufweist, die sich für die Extrusion eignen. Der Drucker hat ein Erwärmungssystem um das metallische Bau ¬ material zu erwärmen, damit das Reservoir auf eine Temperatur innerhalb der Betriebstemperatur gebracht wird. Ein Bereich des Druckers hat eine Düse mit einer Öffnung, die einen Weg für das metallische Baumaterial bildet und ein Antriebssystem, das den metallischen Baustoff mechanisch in festen Zustand unterhalb des Arbeitstemperaturbereichs bringt. Das metallische Baumaterial wird von der Quelle in den Speicher gebracht, mit ausreichender Kraft, um den metallischen Baustoff zu extrudieren. Dies geschieht bei einer Temperatur innerhalb der Betriebstemperatur durch die Öffnung in der Düse hindurch, und mittels eines Ultraschall-Vibrators, der mit der Düse gekoppelt und dazu dient, Ultraschallenergie auf das metallische Baumaterial auszuüben, so dass das metallische Baumaterial durch die Öffnung im Bereich der Düse extrudiert.

Die WO 2018/015092 /Al betrifft einen Extruder für einen 3D-Drucker, der eine äußere Düse sowie eine Förderschnecke hat zur Zuführung von flüssigem oder plastifiziertem Ausgangsmaterial in den Innenraum der äußeren Düse. Im Innenraum der äußeren Düse ist eine innere Düse angeordnet. Der Innenraum der inneren Düse ist über einen Kanal mit dem Innenraum der äußeren Düse verbunden. Die innere Düse ist entlang der Längsachse der äußeren Düse linear bewegbar gelagert. Ein 3D-Drucker ist mit dem Extruder sowie Mitteln zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Extruder und einer Aufbaufläche, ausgestattet, auf der das herzustellende Objekt entsteht.

Zugrundeliegende Aufgabe

Ein 3D-Druckerkopf soll ein Druckerzeugnis mit hoher Qualität und Festigkeit additiv erzeugen.

Vorgestellte Lösung

Dazu ist der 3D-Druckerkopf / der 3D-Drucker mit der hier offenbarten und im Patentanspruch 1 definierten Funktion und Struktur ausgestattet. Der 3D-Druckerkopf zum additiven Aufbauen eines Bauteils, ist ausgestattet mit einer Kammer, die dazu eingerichtet ist, durch einen Einlass flüssiges oder festes Druckmaterial zu erhalten, wobei die Kammer einen Auslass aufweist, vorgesehen und eingerichtet zum Aufträgen von flüssigem oder verflüssigtem Druckmaterial auf eine Fläche, und einem Ultraschallwellengeber, vorgesehen und eingerichtet ist zum Ultraschallwelleneintrag in einen Verschweißungsbereich der Fläche in einer Umgebung des Auslasses bei dem (= vor / wäh- rend / nach) dem Aufträgen des Druckmaterials. Dabei ist in der Kammer eine Spiralförderschnecke angeordnet, vorgesehen und eingerichtet zum kontrollierten Ausbringen des Druck ¬ materials aus dem Auslass der Kammer. Die Spiralförderschnecke bildet die Sonotrode oder die Sonotrode ist zumindest ein Teil der Spiralförderschnecke.

Dieser 3D-Druckerkopf ist dazu eingerichtet, granulären, pulvrigen oder flüssigen Kunststoff oder Komponenten zwei- oder mehrteiliger Kunststoffsysteme, insbesondere Thermoplaste, wie zum Beispiel Polyeth(yl)en (PE), Polyprop(yl)en (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Poly ¬ acrylnitril (PAN), Polyamide (PA), Polyester (PES), Polyacrylate, oder deren Derivate, etc.), aber auch niedrigschmelzende Metalle oder Metall-Legierungen (Zinn, Blei, Gallium, Aluminium Alu ¬ minium, Zink, Cadmium) als Druckmaterial zu verarbeiten. Es ist auch möglich, flüssige, auf Wärme reagierende Kunststoffe mit dem hier offenbarten Druckkopf auszugeben und durch eine dem Druckkopf zugeordnete Ultraschallwellenquelle auszuhärten. In dem hier offenbarten 3D-Drucker können dem Druckmedium zur Beeinflusssung der Materialeigenschaften (Dichte [g/cm 3 ], E-Modul [MPa], Bruchdehnung [%], Zugfestigkeit [MPa], Schmelzpunkt [°C], etc.) Zuschlagstoffe wie Partikel, Späne oder Fasern aus Textil- oder Mineralmaterial, Glas, Kohle, Metall oder dergl. beige- geben werden. Die Begriffe„Druckmaterial",„Kunststoff",„Kunststoffmateri al" sind hier synonym, und auch für Metalle oder Metall-Legierungen etc. verwendet.

Der 3D-Druckerkopf des 3D-Druckers hat eine Kammer, der das zu verarbeitende Material (gesteuert/geregelt) zugeführt wird. Die Kammer des 3D-Druckerkopfes hat einen Auslass. Der Auslass ist an einer Seite des 3D-Druckerkopfes angeordnet, die einer das aufzubauende Bauteil tragenden Fläche zugewandt ist und dient zum Auslass des Kunststoffmaterials aus dem 3D- Druckerkopf. Für die Verarbeitung thermoplastischen Kunststoffmaterials ist die Kammer des 3D- Druckerkopfes auf die Schmelztemperatur des Kunststoffmaterials (gesteuert/geregelt) zu temperieren.

Der 3D-Druckerkopf ist zum Aufträgen eines flüssigen oder verflüssigten Werkstoffes vorgesehen. Der 3D-Druckerkopf kann mit Hilfe eines gesteuerten Antriebs relativ zu der Fläche im Abstand zu dieser Fläche geführt werden. Aus dem Auslass der Kammer strömt, (gesteuert / geregelt) zumindest zeitweise flüssiges oder verflüssigtes Kunststoffmaterial auf die Fläche. Dies kann geschehen, während der 3D-Druckerkopf relativ zu der Fläche im Abstand zu dieser geführt wird.

Durch den Kontakt mit der Fläche erhöht das aufgebrachte Kunststoffmaterial nach kurzer Zeit seine Festigkeit indem es abkühlt / erstarrt. Das auf die Fläche aufgetragene Kunststoffmaterial verbindet sich, zumindest bereichsweise, mit der Fläche. Ein Ultraschallwelleneintrag in die Fläche vor / während/ nach dem Aufträgen des Kunststoffmaterials im Bereich des neu aufgebrachten Kunststoffmaterials verbessert maßgeblich die Verbindung des aufgetragenen Kunststoffmaterials mit der Fläche.

Unter einer Fläche ist bei dem hier vorgestellten Verfahren und der hier vorgestellten Vorrichtung ein Bereich des Untergrundes für das Bauteil und/oder einer Oberfläche des Bauteils verstanden, welcher zumindest bereichsweise mit dem neuen Kunststoff material beaufschlagt wird. Auf die Fläche wird das Kunststoffmaterial mit Hilfe des 3D-Druckerkopfes aufgebracht. Zu Beginn der Herstellung des Bauteils ist die Fläche eine (ggf. beheizte) Unterlage aus Metall, Kunststoff oder Glas. Wenn der 3D-Druckerkopf bereits eine oder mehrere Lagen oder Bahnen des Kunststoffmaterials auf die Fläche aufgebracht hat, bilden diese die zumindest stellenweise beheizte und/ oder gekühlte Fläche. So kann die Fläche der Bereich der Unterlage sein, der mit Hilfe des 3D- Druckerkopfes mit dem Kunststoffmaterial beaufschlagt wird, wobei eine erste Lage des Kunststoffmaterials auf der Unterlage aufgetragen wird und die weiteren Lagen des Kunststoffmaterials auf das sich aufbauende Bauteil. Ausgestaltungen und Varianten

Um eine hochwertige Verschweißung zu erreichen, wird in dem Verschweißungsbereich des zu druckenden Bauteils mittels Ultraschallwellen zusätzliche Energie zugeführt. Dabei wird in einer Variante die Fläche in dem Verschweißungsbereich derart mit Ultraschallwellenenergie beschickt, so dass das bereits ausgebrachte Kunststoffmaterial, welches zumindest teilweise die Fläche bildet, an seiner Oberfläche (wieder) erweicht. Beim Aufträgen des geschmolzenen neu aufzubrin- genden Kunststoffmaterials mit Hilfe des 3D-Druckerkopfes ist so eine verbesserte Verbindung / Vermischung / Durchdringung der (verflüssigten / geschmolzenen / erweichten) Kunststoffmaterialien untereinander möglich.

Der Eintrag der Ultraschallwellenenergie in die Fläche / das Bauteil erfolgt bei dem hier vorgestellten Verfahren und die hier vorgestellten Vorrichtung mittels einer oder mehrerer Ultraschallquellen. Der Energieeintrag ist in einer Variante so zu bemessen, dass im Bereich des Aufeinandertreffens des bereits ausgebrachten Kunststoffmaterials mit dem neu aufzubringenden Kunststoffmaterial kurzzeitig zumindest weich oder flüssig ist. Unter„kurzzeitig" ist hierbei ein Zeitraum von etwa 0.2 - 2 Sekunden zu verstehen, wobei dieser Zeitraum von der spezifischen Wärmekapazität des Kunststoffmaterials, von der Breite und der Höhe des neu aufzubringenden Kunststoffmaterials, und von der Verfahrgeschwindigkeit des 3D-Druckerkopfes abhängt.

Abhängig von einer Verfahrgeschwindigkeit des 3D-Druckerkopfes relativ zu der Fläche / dem Bauteil ist der Energieeintrag mittels der Ultraschallwellen in einer Variante so zu bemessen, dass jeweils ein Bereich von bis zu etwa 5 mm in der Umgebung des Auslasses des 3D- Druckerkopfes erweicht / verflüssigt ist. Abhängig von einer Durchtrittsfläche des Auslasses des 3D-Drucker- kopfes und dessen Abstandes von der Fläche / dem Bauteil ist der Eintrag der Ultraschallwellen ¬ energie in einer Variante so zu bemessen, dass jeweils ein Bereich von etwa dem 2 - 10-fachen der Durchtrittsfläche des Auslasses aus in der Umgebung des Auslasses des 3D-Druckerkopfes er ¬ weicht / verflüssigt ist. Unter„in der Umgebung des Auslasses" ist bei diesen beiden Varianten ein kreisförmiger, kreissektorförmiger, ovaler, oder streifenförmiger Bereich der Fläche verstanden, der sich unter dem Auslass befindet oder von diesem radial ausgeht.

In einer Variante erfolgt ein Energieeintrag nur in dem Bereich, der gerade von der Druckerdüse des 3D-Druckerkopfes überfahren wird. Unter„gerade überfahren" ist dabei sowohl verstanden, dass die 3D-Druckerdüse / Auslass kurz vorher (0.2 - 2 Sekunden) den Bereich überstrichen hat, oder die 3D-Druckerdüse / Auslass den Bereich in Kürze (0.2 - 2 Sekunden) überstreichen wird.

Unter Energieeintrag ist hier durch Einleitung von Ultraschallwellen eine Veränderung der Tem ¬ peratur des Bereichs der Fläche verstanden, in dem das Kunststoffmaterial auf die Fläche trifft, und zwar bevor, während oder nachdem das Kunststoffmaterial den 3D-Druckerkopf verlassen hat. Um beim additiven 3D-Druck gemäß dem hier vorgestellten Verfahren und der hier vorgestellten Vorrichtung die Verschweißung des aufzubringenden flüssigen Kunststoffs mit dem weniger weichen (oder schon (teilweise)) ausgehärteten Kunststoff zu verbessern, wird der Kunststoff wäh- rend seines Austretens an der Verschweißungsstelle mit Ultraschallwellen beschickt.

Dabei werden der in einigen Verfahrens-/Vorrichtungs-Varianten die Ultraschallwellen in den aufzubringenden flüssigen Kunststoff eingetragen. Damit treffen sie genau an der Stelle auf den weniger weichen (oder schon (teilweise)) ausgehärteten Kunststoff, an der der flüssige Kunststoff auf den weniger weichen (oder schon (teilweise)) ausgehärteten Kunststoff trifft (= Kunststoff - Ablagestelle).

Beim hier vorgestellten, mit Ultraschallwellen unterstützten Verschweißen von Kunststoffen beim additiven 3D-Druck werden mechanische Schwingungen einer Ultraschalifrequenz von 20 kHz bis 70 kHz, zum Beispiel mit 40 kHz mit vorbestimmter Amplitude und Dauer in die zu verschweiß enden Kunststoffmaterialien, insbesondere in den bereits vorher ausgebrachten Kunststoff des Bauteils eingeleitet. Hierbei entsteht Wärme, die dazu beiträgt, das Material aufzuschmelzen.

Genauer gesagt werden bei dem hier vorgestellten Verfahren und der hier vorgestellten Vorrichtung die Ultraschallschwingungen als mechanische Longitudinalwellen in das Material eingetragen. Diese Ultraschallschwingungen verformen den Kunststoff und rufen Reibung zwischen den Kunststoffmolekülen hervor. Die Reibung entsteht durch Impedanzen im Kunststoffmaterial, sowie durch Absorption und Reflexion der Schwingungsenergie. Die Ultraschallschwingungen bewirken Verformungsarbeit an dem Kunststoff, welche eine innere Reibung im Molekülverband der einzelnen Kunststoffe hervorruft. Die Ultraschallschwingungen bewirken Verformungsarbeit an dem Kunststoff, welche auch eine äußere Reibung zwischen dem aufzubringenden flüssigen Kunststoff und dem weniger weichen (schon (teilweise) ausgehärteten) Kunststoff in Form einer Grenzschichtenreibung erzeugt. Die innere und die äußere Reibung rufen eine Erwärmung hervor, diese fördert das Schmelzen der Kunststoffe, insbesondere des (schon (teilweise) ausgehärteten) Kunststoffs, so dass sich dieser mit dem aufzubringenden flüssigen Kunststoff besser, und vorzugsweise zumindest annähernd grenzschichtenfrei verbindet.

Das hier vorgestellte Verfahren und die hier vorgestellte Vorrichtung dienen insbesondere zur Verbesserung des stofflichen Verbindens thermoplastischer Kunststoffe. Thermoplaste sind durch Erwärmen verarbeitbare Kunststoffe und lassen sich gut mittels Ultraschall erwärmen. Grundsätzlich sind nur identische Thermoplaste homogen zu verbinden. Praktisch alle thermoplastischen Kunststoffe sind in dem hier vorgestellten Verfahren und der hier vorgestellten Vorrichtung durch Ultraschall-Eintrag verbessert zu verarbeiten. Neben den thermoplastischen Kunststoffen sind auch amorphe und teilkristalline Polymere in dem hier vorgestellten Verfahren und der hier vorge- stellten Vorrichtung verarbeitbar. Dabei unterscheidet sich das Verhalten der unterschiedlichen Kunststoffe beim Ultraschalleintrag erheblich.

Die Erwärmbarkeit durch Ultraschalleintrag beeinflussende Werkstoffeigenschaften der unterschiedlichen Kunststoffe sind unter anderem: der E-Modul des Kunststoffs; ein großer E-Modul unterstützt die Schall-Leitung und beeinflusst die Ankopplung der Ultraschallwellen an das Kunststoffmaterial, die Dämpfung des Kunststoffs; eine hohe Dämpfung unterstützt die Energieaufnahme aus dem Energieeintrag mittels der Ultraschallwellen im Kunststoff, die spezifische Wärmekapazität des Kunststoffs; und eine hohe spezifische Wärmekapazität erfordert einen hohen Energieeintrag mittels der Ultraschallwellen, und der Schmelzpunkt des Kunststoffs; eine hoher Schmelzpunkt erfordert einen hohen Energieeintrag mittels der Ultraschallwellen.

Der Ultraschalleintrag in den flüssigen und insbesondere in den wieder verflüssigten Kunststoff bei dem hier vorgestellten Verfahren und der hier vorgestellten Vorrichtung hilft nicht nur, den wieder verflüssigten flüssigen Kunststoff zu erwärmen. Der Ultraschalleintrag führt auch dazu, dass sich das entstehende Bauteil entspannt und somit bei Aufbringen des neuen Kunststoffs sich das Bauteil weniger verzieht.

Bei dem hier vorgestellten Verfahren und der hier vorgestellten Vorrichtung durchdringt der Ultraschall den flüssigen Kunststoff und wird durch diesen während des Austrags zu der Fläche geleitet. Wenn der flüssige Kunststoff dann auf den weniger weichen (oder schon (teilweise) ausgehärteten) Kunststoff des Bauteiles trifft, entsteht zunächst eine Grenzschicht zwischen festem und flüssigem Kunststoff, an der sich die Ultraschallwellen brechen und Energie in die Umgebung abgeben. Dies führt zur oben beschriebenen Wärmebildung und in der Folge zu einem intensiveren Verschmelzen / Verschweißen / Vereinigen des bereits abgelegten Kunststoffs mit dem neu aufgebrachten Kunststoff. Die sich weiter um den Aufbringort des neu aufgebrachten Kunststoffs ausbreitenden Schall- oder Druckwellen tragen dazu bei, dass sich der neu aufgebrachte Kunststoff und der wieder erwärmte bereits vorhandene Kunststoff in der Abkühlphase entspannt. Dies unterstützt ein geringeres Verziehen des Bauteils.

Der Ultraschallwellengeber des hier vorgestellten Verfahrens und der hier vorgestellten Vorrichtung hat einen Schwinger. Es umfasst einen piezoelektrischen Konverter, ggf. einen Amplitudentransformator, und eine Sonotrode, die in der Ultraschallfrequenz schwingen. Die Amplitude des Schwingers, also den Abstand zwischen dessen Umkehrpunkt und dessen Ruhelage liegt bei dem hier vorgestellten Verfahren und der hier vorgestellten Vorrichtung zwischen 5 und 50 pm.

Die Sonotrode hat bei dem hier vorgestellten Verfahren und der hier vorgestellten Vorrichtung direkten Kontakt zu dem zu verarbeitenden Kunststoffmaterial. Ihre Arbeitsfläche ist deshalb so gestaltet, dass sie die Ultraschallschwingungen optimal in das zu Kunststoffmaterial einleitet. Die mechanischen Schwingungen werden vorzugsweise zumindest annähernd senkrecht oder gebündelt in das zu Kunststoffmaterial eingeleitet.

In einer Variante des hier vorgestellten Verfahrens und der hier vorgestellten Vorrichtung ist die Sonotrode ein den Auslass der Kammer umgebendes oder bildendes Teil. Dieses Teil ist als koni- sches Rohr gestaltet, das die Ultraschailschwingungen sich zwischen der Spiralförderschnecke und der Fläche des entstehenden Bauteils ausbreiten. Die Ultraschallschwingung hat in dem hier vorgestellten Verfahren und der hier vorgestellten Vorrichtung vorzugsweise eine longitudinale Richtung koaxial zur Mittellängsachse des Auslasses des 3 D- Druckkopfes.

In einer Variante des hier vorgestellten Verfahrens und der hier vorgestellten Vorrichtung ist die Sonotrode zumindest ein Teil der Spiralförderschnecke. Dieses Teil, oder die komplette Spiralförderschnecke ist so gestaltet, dass vorzugsweise seine/ihre Resonanzfrequenz in der Schwing ¬ richtung mit der vom eingesetzten piezoelektrischen Konverter und dem Amplitudentransformator gelieferten Ultraschall-Frequenz übereinstimmt. Die Ultraschallschwingung hat in dem hier vorgestellten Verfahren und der hier vorgestellten Vorrichtung vorzugsweise eine longitudinale Richtung auf den Auslass des 3D-Druckkopfes hin.

In einer weiteren Variante des hier vorgestellten Verfahrens und der hier vorgestellten Vorrichtung ist eine Ultraschallquelle am 3D-Druckerkopf und/oder an dessen Auslassdüse so angebracht, dass in das Kunststoffmaterial Ultraschallwellen in Richtung des Auslasses eingebracht werden. Da ¬ durch wird das Kunststoffmaterial an der Kunststoff-Ablagestelle / Wirkzone in Schwingung ver ¬ setzt und in der Folge davon auch erwärmt.

Durch die longitudinal orientierte Schwingungsrichtung, also senkrecht auf die Bauteil-/Werk- stück-Oberfläche hin, kommt bei den Varianten des hier vorgestellten Verfahrens und der hier vor ¬ gestellten Vorrichtung die mechanische Schwingungs-Energie optimal in der Kunststoff-Ablagestelle / der Wirkzone an.

In einer Variante des hier vorgestellten Verfahren und der hier vorgestellten Vorrichtung ist die Förderschnecke auf ihrer von der (Boden-)Fläche abgewandten Seite mit einer stabförmigen Welle versehen, durch die der Förderschnecke sowohl eine Drehbewegung aufgeprägt werden kann, als auch eine Längsbewegung zu der (Boden-)Fläche hin und von dieser weg. Diese Welle ist mit dem piezoelektrischen Konverter, oder sofern vorhanden, dem Amplitudentransformator, gekoppelt, so dass die Spiralförderschnecke die Sonotrode umfasst.

Die Unterseite der Spiralförderschnecke ist bei einer Variante des hier vorgestellten Verfahrens und der hier vorgestellten Vorrichtung in ihrem Zentrum so gestaltet, dass die Richtung der Ausbreitung der Ultraschallwellen zur Ausgabe hin orientiert und/oder fokussiert ist.

Um diesen Effekt zu erreichen, ist die Spiralförderschnecke des hier vorgestellten Verfahrens und der hier vorgestellten Vorrichtung in ihrem Zentrum zur Ausgabe hin konkav gewölbt. Das Material, aus dem die Spiralförderschnecke (zumindest) im Zentrum zur Ausgabe hin gebildet ist, hat eine größere Härte als der verarbeitete und geschmolzene Kunststoff. Damit werden die Ultraschallwel ¬ len zur Ausgabe hin orientiert und/oder fokussiert, so dass sich ein optimaler Energieeintrag in die Kunststoff-Ablagestelle / Wirkzone einstellt.

Der Ultraschall-Eintrag in Längsrichtung der mechanischen Welle der Förderschnecke trägt auch dazu bei, dass auf der vom Auslass abgewandten Seite der Förderschnecke weniger Kunststoff- material anhaftet und besser in Richtung der Ausgabe fließt.

Um zu vermeiden, dass der zusätzliche Ultraschall-Eintrag zur Überhitzung des Kunststoffs führt und dieser chemisch zerfällt, wird in einer Variante die Temperatur des Druckteiles - vor und/oder nach dem neu aufzubringenden Kunststoffmaterial - im Verschweißungsbereich gemessen. Dies kann zum Beispiel mittels eines Infrarotsensors, einer Wärmebildkamera oder einer sonstigen berührenden oder berührungslosen Temperatursonde geschehen. Abhängig vom Messergebnis wird durch die Steuerung der Ultraschall-Eintrag geregelt, um die Qualität der Verschweißung zu optimieren.

Die Fläche und das Kunststoffmaterial haften nach dem Aufträgen des Kunststoffmaterials an ¬ einander. Durch den Ultraschall-Eintrag wird das Kunststoffmaterial der Fläche an seiner Ober ¬ fläche erweicht/geschmolzen. Das ebenfalls geschmolzene neu aufzubringende Kunststoffmaterial verbindet sich dann mit dem Material der Fläche deutlich besser, da bei einem erweichten / geschmolzenen Untergrund die Oberflächenspannung des diesen Untergrund bildenden geschmolze ¬ nen Werkstoffs verringert ist. Hieraus ergibt sich eine verbesserte Durchdringung der Kunststoff ¬ materialien in der Grenzschicht und daraus resultierende Haftung des aufgebrachten Kunststoff ¬ materials.

Nach dem Aufträgen kann das neu aufgetragene Kunststoffmaterial zusammen mit dem bereits vorher ausgebrachten Kunststoffmaterial in einer Variante mit Hilfe eines Kühlers, auch auf eine definierte Temperatur, abgekühlt werden. Mit dem Kühler werden das bereits ausgebrachte Kunst- stoffmaterial und das neu aufgebrachte Kunststoffmaterial auf eine vorbestimmte Temperatur eingestellt.

Da insbesondere thermoplastische Kunststoffe relativ schlechte Wärmeleiter sind, kann die Tem- peratur bei einem zu druckenden Bauteil während des Druckvorgangs an verschiedenen Stellen sehr unterschiedlich sein. Je nach dem gewählten Verfahrweg des Druckerkopfes entlang der Kontur des zu druckenden Bauteils kann in manchen Bereichen des Bauteils die Temperatur kurzzeitig sehr hoch liegen. Eine Möglichkeit der Vergleichmäßigung des Temperaturprofils des Bauteils liegt in der temperaturabhängigen Routenplanung des Druckerkopfes. Dies ist allerdings sehr auf- wendig und erfordert sehr viele Testläufe und/oder Simulationsaufwand, was zumindest bei Kleinserien nicht effizient ist.

Da der Verfahrweg des 3D-Druckerkopfes der Kontur des aufzubauenden Bauteils entsprechend Kurven oder Knicke umfassen kann, ist die Kühlquelle entsprechend dem Verfahrweg des 3D- Druckerkopfes mitzuführen.

Als weitere Lösung des oben genannten Problems wird ein 3D-Drucker vorgeschlagen, umfassend einen 3D~Druckerkopf mit einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmale, der relativ zu einer Aufnahme für ein Druckerzeugnis entlang wenigstens einer geometrischen Achse zu bewegen ist, wobei dem 3D-Drucker eine Steuerung zugeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, mittels wenigstens einem Achsantrieb den 3D-Druckerkopf relativ zu der Aufnahme zu bewegen. Alternativ oder zusätzlich ist ein Antrieb für die Spiralförderschnecke relativ zu der Kammer vorgesehen um Druckmaterial aus der Austrittsöffnung kontrolliert auf die Aufnahme auszubringen.

Als weitere Lösung des oben genannten Problems wird ein Verfahren zum Betreiben eines 3D-Druckers mit einem 3D-Druckerkopf vorgeschlagen, mit folgenden Schritten:

Einträgen von flüssigem oder festem Druckmaterial in eine Kammer durch einen Einlass, und Austragen von flüssigem oder verflüssigtem Druckmaterial aus der Kammer durch einen Auslass auf eine Fläche,

Einträgen von Ultraschallwellen in einen Verschweißungsbereich der Fläche in einer Umgebung des Auslasses vor/während/nach dem Aufträgen des Druckmaterials.

Dabei kann der Ultraschallwelleneintrag relativ zu dem Auslass an der Kunststoff-Ablagestelle so erfolgen, dass in dem Verschweißungsbereich der Fläche Ultraschallwellen zugeführt werden um in dem Verschweißungsbereich die Fläche derart zu erwärmen, dass die Fläche, zumindest an ihrer Oberfläche erweicht und sich mit dem neu aufzutragendem Druckmaterial verbindet. Alternativ oder zusätzlich kann der Ultraschallwelleneintrag so bemessen sein, dass im Bereich des Auf ¬ einandertreffens des neu aufzubringenden Kunststoffmaterials auf die Fläche diese kurzzeitig zumindest weich oder flüssig wird. Alternativ oder zusätzlich kann abhängig von einer Verfahr geschwindigkeit des 3D-Druckerkopfes relativ zu der Fläche der Ultraschallwelleneintrag an der Kunststoff-Ablagestelle so bemessen sein, dass jeweils ein Bereich bis zu etwa 5 mm in der Umgebung des Auslasses erweicht / verflüssigt wird. Alternativ oder zusätzlich kann abhängig von einer Durchtrittsfläche des Auslasses und dessen Abstandes von der Fläche der Ultraschallwelleneintrag an der Kunststoff-Ablagestelle so bemessen sein, dass jeweils ein Bereich von etwa dem 2 - 10-fachen der Durchtrittsfläche des Auslasses aus in der Umgebung des Auslasses erweicht / verflüssigt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Ultraschallwelleneintrag nur in dem Bereich erfolgen, der momentan von dem Auslass überfahren wird.

Schließlich wird ein Druckerzeugnis oder Bauteil offenbart, erhältlich mittels des vorstehenden Verfahrens, und/oder mit einer vorstehenden Vorrichtung. Ein solches Druckerzeugnis oder Bauteil ist von einem herkömmlich erzeugten Druckerzeugnis oder Bauteil unterscheidbar, weil durch den Ultraschallwelleneintrag in den Verschweißungsbereich der Fläche in einer Umgebung des Auslasses vor/während/nach dem Aufträgen des Druckmaterials im Grenzbereich zwischen dem bereits vorhandenen Druckmaterial der Fläche und dem aufgebrachten Druckmaterial die Materialien sich inniger durchdringen. In einem herkömmlich erzeugten Druckerzeugnis oder Bauteil ist in einem Schnitt durch das Bauteil die Grenzfläche zwischen bereits vorhandenem Druckmaterial und dem neu aufgebrachten Druckmaterial deutlich erkennbar.

Als weitere Lösung des oben genannten Problems wird ein 3D-Druckerzeugnis vorgeschlagen, erhältlich mittels eines 3D-Druckers aufweisend einen 3D-Druckerkopf mit einem oder mehreren vorhergehenden Vorrichtungsaspekte und/oder mittels eines Verfahrens mit einem oder mehreren der vorhergehenden Verfahrensaspekte.

Es sei bemerkt, dass obwohl hier numerische Bereiche und numerische Werte offenbart sind, alle numerischen Werte zwischen den offenbarten Werten und jedem numerischen Unterbereich innerhalb der genannten Bereiche als ebenfalls offenbart anzusehen sind. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass während eine Zahl für ein Verhältnis zwischen den verschiedenen Abmessungen der hier beschriebenen Komponenten angegeben ist, dass jede spezielle Komponenten der hier beschriebenen Art nicht notwendigerweise jedes und alle Verhältnisse zwischen den verschiedenen hier angegebenen Abmessungen verwirklichen muss.

Kurzbeschreibuna der Zeichnung

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und zugehöriger Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den hier offenbarten Gegenstand, auch unabhängig von ihrer Gruppierung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen.

Fig. 1 veranschaulicht eine schematische seitliche Schnittansicht durch einen 3D-Druckerkopf, der eine Variante der hier vorgestellten Lösung verkörpert.

Fig. 2 veranschaulicht einen 3D-Drucker mit einem 3D-Druckerkopf gemäß Fig. 1.

Fig. 3 veranschaulicht weitere eine schematische seitliche Schnittansicht durch einen

3D-Druckerkopf, der eine Variante der hier vorgestellten Lösung verkörpert.

Fig. 4 veranschaulicht weitere eine schematische seitliche Schnittansicht durch einen

3D-Druckerkopf, der eine Variante der hier vorgestellten Lösung verkörpert.

Fig. 5 veranschaulicht vergrößerte, weitere eine schematische seitliche Schnittansicht durch einen 3D-Druckerkopf, der eine Variante der hier vorgestellten Lösung verkörpert.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung

Ein in Fig. 1 veranschaulichter 3D-Druckerkopf 100 hat eine topfförmige Kammer 110, die mit einem Deckel 112 zu verschließen ist. Der Deckel 112 hat einen Einlass 114 um flüssiges oder festes Druckmaterial DM der Kammer 110 zuführen zu können. Als Druckmaterial DM für den Druckerkopf 100 können granulärer, pulvriger oder flüssiger Kunststoff oder Komponenten zwei- oder mehrteiliger Kunststoffsysteme, aber auch niedrigschmelzende Metalle oder Metall-Legierungen als Kunststoffe eingesetzt werden. Die topfförmige Kammer 110 und der Deckel 112 sind in der veranschaulichten Variante aus Stahl. Es sind aber auch andere Materialien verwendbar. Die Kammer 110 hat an einer Fläche 116 (in Fig. 1 ihrer Bodenfläche) eine als Düse gestaltete Austrittsöffnung 120 für das Druckmaterial DM. Im Innern der Kammer 110 ist eine Spiralförderschnecke 130 angeordnet. Diese Spiralförderschnecke 130 dient dazu, durch den Einlass 114 in die Kammer 110 gelangendes Druckmaterial DM (Kunststoffmaterial) der Austrittsöffnung 120 zuzuführen.

Dazu ist in der veranschaulichten Variante die Spiralförderschnecke 130 mit einem Antrieb 132 gekoppelt. Details zu Aufbau und Funktion der Spiralförderschnecke 130 sind der WO 2016 020150 Al (Stubenruss) zu entnehmen und hier nicht weiter erörtert. Der Antrieb 132 ist - mittels einer Steuerung 250 - dazu eingerichtet, die Spiralförderschnecke 130 relativ zu der Kammer 110 so zu drehen, dass sich die Spiralförderschnecke 130, genauer gesagt ihre untere Stirnseite 134 in Fig. 1, in einem Abstand von der Fläche 116 der Kammer 110 dreht. Dieser Abstand beträgt abhängig von der Art des Druckmaterials DM, dessen Viskosität und dessen etwaigen Zuschlagstoffen nur wenige 100 pm (100 pm - 500 pm) bis wenige (etwa 2 - 5) mm. Um das Druckmaterial DM zu schmelzen und seine Viskosität zu beeinflussen, sofern es als Granulat oder Pulver in die Kammer 110 einge- bracht wird, dient eine im Boden der Kammer 110 befindliche Heizwendel 138, deren Heizleistung ebenfalls durch die Steuerung 250 geregelt wird. Hierzu wird in nicht weiter detaillierter Weise die Temperatur des Druckmaterials DM in der Kammer erfasst und der Steuerung 250 signalisiert.

Ein 3D-Drucker mit einem hier vorgestellten 3D~Druckerkopf 100 bewegt diesen, wie in Fig. 2 veranschaulicht, relativ zu einer ebenen Aufnahme 300 für ein Druckerzeugnis DE entlang we nigstens einer geometrischen Achse x, y, z. Dazu hat der 3D-Drucker die Steuerung 250, die mittels jeweiliger Achsantriebe X-A, Y-A, Z-A den 3D-Druckerkopf 100 und die Aufnahme 300 relativ zu- einander bewegt und auch den Antrieb 132 für die Spiralförderschnecke 130 in der Kammer 100 betätigt, um Druckmaterial aus der Austrittsöffnung 120 kontrolliert auf die Aufnahme 300 aus- zubringen. So ist ein 3D-Druckerzeugnis DE erhältlich mittels des 3D-Druckers mit dem 3D- Druckerkopf und in der hier erläuterten Vorgehensweise.

Dem 3D-Druckerkopf 100 ist zusätzlich eine Ultraschallwellenquelle 200 zum Eintrag von Ultraschallwellen USW zugeordnet. Diese Ultraschallwellenquelle 200 dient dazu, Ultraschallwellen USW in einen Verschweißungsbereich VB der Fläche F in einer Umgebung des Auslasses 120 beim Aufträgen des Druckmaterials DM einzutragen. Diese Ultraschallwellenquelle 200 ist in einer Va- riante (Siehe Fig. 1) dem Auslass 120 des Druckerkopfes zugeordnet. Der Auslass 120 ist an einer Seite des 3D-Druckerkopfes angeordnet ist (in Fig. 1 der Unterseite), die zu einer Fläche F des Bauteils hin gerichtet ist. Dieser Auslass 120 erlaubt das gesteuerte Ausbringen des Druckmaterials DM aus dem 3D-Druckerkopf. Für die Verarbeitung thermoplastischen Kunststoffmaterials hat die Kammer 110 eine Heizeinrichtung 138 um das thermoplastische Kunststoffmaterial auf seine Schmelztemperatur zu erwärmen.

Der Ultraschallwellengeber 200 ist relativ zu dem Auslass 120 so angeordnet, dass er in dem Verschweißungsbereich VB der Fläche F Ultraschallwellen USW zuführt. Mittels der Ultraschall- wellen USW wird in dem Verschweißungsbereich VB die Fläche F derart erwärmt, dass die Fläche F zumindest an ihrer Oberfläche erweicht und sich mit dem neu aufzutragenden Druckmaterial DM verbindet.

In der in Fig. 1 veranschaulichten Variante ist wobei die Ultraschallquelle am 3D-Druckerkopf an dessen Auslass 120 angebracht, so dass in das Druckmaterial DM Ultraschallwellen USW in Rich- tung der Auslasses 120 eingebracht werden. Bei der in Fig. 1 veranschaulichten Variante hat der Ultraschallwellengeber einen Schwinger, der einen piezoelektrischen Konverter, ggf. einen Am- plitudentransformator, und eine Sonotrode umfasst. Die Sonotrode ist dazu eingerichtet, direkten Kontakt zu dem zu verarbeitenden Kunststoffmaterial zu haben. Die Amplitude des Schwingers beträgt zum Beispiel zwischen etwa 5 und 50 pm.

In der in Fig. 1 veranschaulichten Variante hat die Ultraschallquelle 200 eine Sonotrode 210, die ein den Auslass 120 der Kammer 110 umgebendes oder bildendes Teil ist. Hier ist die Sonotrode 210 als sich vom 3D-Druckerkopf weg verjüngendes, konisches Rohr gestaltet, durch das das Druck- material DM auszubringen ist. In diesem konischen Rohr breiten sich die Ultraschallschwingungen in dem Druckmaterial DM zwischen einer in der Kammer 110 angeordneten Spiralförderschnecke 130 und der Fläche des entstehenden Bauteils aus. Dabei sind hier die Ultraschallwellen USW Schwingungen mit einer longitudinalen Richtung koaxial zur Mittellängsachse des Auslasses 120 des 3D-Druckkopfes 100.

Die in der Kammer 110 angeordnete Spiralförderschnecke 130 dient zum kontrollierten Ausbringen des Druckmaterials DM aus dem Auslass 120 der Kammer 110. Die Spiralförderschnecke 130 ist auf ihrer von einer Bodenfläche der Kammer 110 abgewandten Seite mit einer stabförmigen Welle 142 versehen ist, durch die der die Spiralförderschnecke 130 sowohl eine Drehbewegung aufzuprägen ist, als auch eine Längsbewegung zu der Bodenfläche hin und von dieser weg.

Bei der in Fig. 1 veranschaulichten Variante hat die Spiralförderschnecke 130 eine Unterseite, die in ihrem Zentrum so gestaltet ist, dass sie die Richtung der Ausbreitung der Ultraschallwellen zum Auslass 120 der Kammer 110 hin orientiert und fokussiert. Genauer gesagt ist die Unterseite der Spiralförderschnecke 130 in ihrem Zentrum zum Auslass 120 der Kammer 110 hin konkav gewölbt.

Eine Einrichtung 500 zum berührenden oder berührungslosen Erfassen der Temperatur der Fläche F im Bereich der Umgebung des Auslasses 120 vor und nach dem neu aufzubringenden Kunst- stoffmateriai signalisiert der Steuerung 250 die Temperatur der Fläche F in der Umgebung des Auslasses 120. So kann die Intensität der Ultraschallwellen USW geregelt werden, damit die Ver- schweißung des aufzubringenden mit dem bereits vorhandenen Kunststoffmaterial optimal ist.

In Fig. 1 ist zusätzlich eine Einrichtung 400 zum Kühlen relativ zu dem Auslass 120 so angeordnet, dass sie das aufgetragene Druckmaterial DM nach dem Aufträgen zusammen mit dem bereits aus- gebrachten Kunststoffmaterial abkühlt.

Die Ultraschallwellenquelle 200 ist durch die Steuerung 250 so zu steuern, dass der Ultraschallwel- leneintrag im Bereich des Aufeinandertreffens des neu aufzubringenden Kunststoffmaterial auf die Fläche F diese kurzzeitig zumindest erweicht oder verflüssigt.

Dazu ist abhängig von einer Verfahrgeschwindigkeit des 3D-Druckerkopfes 100 längs der Auf- tragsrichtung in Richtung des Pfeils P relativ zu der Fläche F der Ultraschallwelleneintrag so zu be- messen, dass jeweils ein Bereich von bis zu etwa 5 mm in der Umgebung (unterhalb) des Auslasses 120 erweicht / verflüssigt wird. Alternativ kann auch abhängig von einer Durchtrittsfläche des Auslasses 120, also dessen Querschnittsfläche und dessen Abstandes A von der Fläche F der Wärmeeintrag so bemessen sein, dass jeweils ein Bereich von etwa dem 2 - 10-fachen der Durchtrittsfläche des Auslasses aus in der Umgebung (unterhalb) des Auslasses 120 erweicht / ver- flüssigt wird. Der Ultraschallwelleneintrag kann auch nur in dem Bereich erfolgen, der momentan von dem Auslass 120 überfahren wird.

Eine Einrichtung 500 zum berührenden oder berührungslosen Erfassen der Temperatur der Fläche F im Bereich der Umgebung des Auslasses 120 ist in der Fig. 1 in der dem Auslass nacheilenden Seite zur Erfassung der Temperatur des neu aufzubringenden Kunststoffmaterials vorgesehen ist.

Die Einrichtung 300 zum Kühlen ist in einer Variante durch ein oder mehrere Peitierelemente PE realisiert.

In einer weiteren Variante (siehe Fig. 3) hat 3D-Druckerkopf 100 eine Ultraschallwellenquelle 200 in der Kammer 110 an der Spiralförderschnecke 130 angeordnet . Die Spiralförderschnecke 130 umfasst hier die Sonotrode, so dass die Sonotrode 210 ein Teil der Spiralförderschnecke 130 ist.

Dazu ist die Spiralförderschnecke 130 auf ihrer von einer Bodenfläche der Kammer 110 abge ¬ wandten Seite mit einer stabförmigen Welle 142 versehen. Mit dieser stabförmigen Welle 142 ist der Spiralförderschnecke 130 sowohl eine Drehbewegung aufzuprägen, als auch eine Längsbewegung zu der Bodenfläche hin und von dieser weg. Diese stabförmige Welle 142 ist mit dem piezoelektrischen Konverter 200 direkt oder indirekt gekoppelt und dazu eingerichtet, der Spiralförderschnecke 130 eine Ultraschallschwingung in longitudinaler Richtung koaxial zur Mittellängsachse der stabförmigen Welle 142 aufzuprägen. Dazu kann die Ultraschallwellenquelle 200 in ¬ nerhalb der Kammer 110 oder außerhalb der Kammer 200 angeordnet sein. Die Ultraschallwellenquelle 200 kann auch in den Antrieb 132 integriert sein oder an diesen angebaut sein.

Auch in dieser Variante ist die Spiralförderschnecke 130 an ihrer Unterseite in ihrem Zentrum so gestaltet, dass die Richtung der Ausbreitung der Ultraschallwellen USW zum Auslass 120 der Kam ¬ mer 110 hin orientiert / fokussiert ist. Dazu ist die Spiralförderschnecke 130 in ihrem Zentrum zum Auslass 120 der Kammer 110 hin mit der Sonotrode 210 ausgestaltet, die konkav gewölbt ist.

Die Ultraschallwellenquelle 200 mit der Sonotrode 210 kann auch vollständig an/in der Spiralförderschnecke 130 angeordnet sein.

Ein Vorteil der hier offenbarten Anordnungen besteht darin, dass die Ultraschallwellen USW gezielter als mittels einer Wärmestrahlungsquelle an den Verschmelzungsbereich bringbar sind, Dazu können sie dem neu aufzubringenden Kunststoff aufgeprägt werden, und werden erst beim Auf- treffen auf den bereits erkalteten Kunststoff wirksam, wen sie sich an der Trennschicht brechen oder reflektiert werden.

Ein in Fig. 4 veranschaulichter 3D-Druckerkopf 100 hat eine topfförmige Kammer 110, die mit einem Deckel 112 zu verschließen ist. Der Deckel 112 hat einen Einlass 114 um flüssiges oder festes Druckmaterial DM der Kammer 110 zuführen zu können. Als Druckmaterial DM für den Druckerkopf 100 können granulärer, pulvriger oder flüssiger Kunststoff oder Komponenten zwei- oder mehrteiliger Kunststoffsysteme, aber auch niedrigschmelzende Metalle oder Metall-Legierungen als Kunststoffe eingesetzt werden. Die topfförmige Kammer 110 und der Deckel 112 sind in der veranschaulichten Variante aus Stahl. Es sind aber auch andere Materialien verwendbar. Die Kammer 110 hat an einer Fläche 116 (in Fig. 4 ihrer Bodenfläche) eine Öffnung, die in ein quer wegkragendes Rohr 124 reicht. Das Rohr 124 reicht seitlich über den Umfang der Kammer 110 hinaus und endet endseitig in einem Austritt 120 für das Druckmaterial DM. Der Austritt 120 ist mittels eines durch die Steuerung 250 kontrollierten Schwenkantriebs 270 um die Mittellängsachse des Rohrs 124 drehbar. Der Austritt 120 dient dazu, Druckmaterial DM (Kunststoffmaterial) der Fläche F zuzuführen. Dem Austritt 120 hat eine Ultraschallwellenquelle 200 zum Eintrag von Ultra- schallwellen USW zugeordnet. Diese Ultraschallwellenquelle 200 dient dazu, Ultraschaliwellen USW in einen Verschweißungsbereich VB der Fläche F in einer Umgebung des Auslasses 120 beim Aufträgen des Druckmaterials DM einzutragen. Diese Ultraschallwellenquelle 200 ist in einer Va ¬ riante (Siehe Fig. 4) dem Auslass 120 des Druckerkopfes zugeordnet. Der Auslass 120 hat an seinem von der Fläche F abgewandten Ende die Ultraschallwellenquelle 200 mit der Sonotrode 210. Der Ultraschallwellengeber 200 ist auch hier an dem Auslass 120 so angeordnet, dass er in dem Verschweißungsbereich VB der Fläche F Ultraschallwellen USW zuführt. Mittels der Ultra ¬ schallwellen USW wird in dem Verschweißungsbereich VB die Fläche F derart erwärmt, dass die Fläche F zumindest an ihrer Oberfläche erweicht und sich mit dem neu aufzutragenden Druck ¬ material DM verbindet.

Ein in Fig. 5 vergrößert veranschaulichter Auslass 120 eines 3D-Druckerkopfes 100 verkörpert eine weitere Variante der hier vorgestellten Lösung. Hierbei ist die Sonotrode 210 direkt am Austritt des Druckmaterials DM angeordnet. Diese Sonotrode 210 ist asymmetrisch gestaltet, und an ihrem distalen Ende (in Fig. 5 der Unterseite der Sonotrode) mit einer konkaven Wölbung versehen. Diese Wölbung sorgt für den optimalen Eintrag der Ultraschalldruckwellen in das Kunstoffmaterial.

Die vorangehend beschriebenen Varianten des Verfahrens und der Vorrichtung dienen lediglich dem besseren Verständnis der Struktur, der Funktionsweise und der Eigenschaften der vorgestellten Lösung; sie schränken die Offenbarung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Fig. sind schematisch, wobei wesentliche Eigenschaften und Effekte zum Teil deutlich vergrößert dargestellt sind, um die Funktionen, Wirkprinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmale zu verdeutlichen. Dabei kann jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches / welche in den Fig. oder im Text offenbart ist/sind, mit allen Ansprüchen, jedem Merkmal im Text und in den anderen Fig., anderen Funktionsweisen, Prinzipien, tech- nischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offenbarung enthalten sind oder sich da- raus ergeben, frei und beliebig kombiniert werden, so dass alle denkbaren Kombinationen der be- schriebenen Lösung zuzuschreiben sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzelnen Ausführungen im Text, das heißt in jedem Abschnitt der Beschreibung, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Varianten im Text, in den Ansprüchen und in den Fig. umfasst. Die vorstehend erläuterten Vorrichtungs- und Verfahrensdetails sind zwar im Zusammen- hang dargestellt; es sei jedoch darauf hingewiesen, dass sie auch unabhängig voneinander sind und auch frei miteinander kombinierbar sind. Die in den Fig. gezeigten Verhältnisse der einzelnen Teile und Abschnitte hiervon zueinander und deren Abmessungen und Proportionen sind nicht einschränkend zu verstehen. Vielmehr können einzelne Abmessungen und Proportionen auch von den gezeigten abweichen. Auch die Ansprüche limitieren nicht die Offenbarung und damit die Kombinationsmöglichkeiten aller aufgezeigten Merkmale untereinander. Alle aufgezeigten Merk- male sind explizit auch einzeln und in Kombination mit allen anderen Merkmalen hier offenbart.

Bezugszeichen

3D-Druckerkopf 100

Kammer 110

Deckel 112

Einlass 114

Druckmaterial DM

Fläche 116

Auslass, Austrittsöffnung 120

Eingang 128

Spiralförderschnecke 130

Antrieb 132

Stirnseite 134

Heizeinrichtung, Heizwendel 138

stabförmige Welle 142 Einrichtung zum Ultraschalleintrag, Ultraschallquelle 200 Sonotrode 210

Steuerung 250

Schwenkantrieb 270

Achsantriebe X-A, Y-A, Z-A

Aufnahme 300

Fläche F des Bauteils

Verschweißungsbereich VB

Einrichtung zum Kühlen 400

Pfeil P

Einrichtung zum Erfassen der Temperatur 500 vorauseilender Bereich FV

nacheilender Bereich FN

Druckmaterial DM

Druckerzeugnis DE