EXTRUSIONSDÜSE, MASCHINE UND VERFAHREN ZUR 3D FERTIGUNG Die Erfindung betrifft eine Düse mit einer Materialaustritts ^¬ öffnung zur Materialextrusion bei der additiven Fertigung eines Werkstücks, wobei die Materialaustrittsöffnung der Düse einen länglichen Querschnitt aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Werk- Stücks mittels einer derartigen Düse, eine Maschine zur addi ^¬ tiven Fertigung eines Werkstücks, die eine derartige Düse um- fasst, sowie eine Steuereinrichtung für eine derartige Ma ^¬ schine . Bei der additiven Fertigung eines Werkstücks mittels Materialextrusion wird eine Düse in einem Arbeitsraum einer Maschine positioniert und eine Schmelze durch die Düse gedrückt während sich die Düse im Arbeitsraum bewegt. Durch die Überlagerung einer Vielzahl derart erzeugter Material-Bahnen wird das Werkstück Schicht um Schicht aufgebaut.

Heute verwendete Düsen haben einen runden Querschnitt, damit die entstehende Bahn unabhängig von der Bewegungsrichtung und Ausrichtung der Düse gleiche Eigenschaften und insbesondere eine gleiche Breite aufweist. Um das Verfahren an unter ^¬ schiedliche Anforderungen anzupassen und insbesondere um Strukturen unterschiedlicher Größe aufzubauen, werden Düsen mit unterschiedlichen Querschnitten eingesetzt. Das heißt, die Düsen unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich der Durchmesser ihrer Materialaustrittsöffnungen. Mit einer "großen" Düse mit einer großen Materialaustrittsöffnung kann man eine breite Wand mit jeweils einer Material-Bahn pro Schicht herstellen, anstatt die Wand mit einer kleineren Düse

schrittweise durch mehrere nebeneinander liegende Bahnen pro Schicht aufzubauen. Düsen mit einer kleineren Querschnittsfläche der Materialaustrittsöffnung werden jedoch benötigt, da sich besonders filigrane Strukturen nur so erzeugen las ^¬ sen . Aus der Druckschrift US 6,030,199 ist ein Düsen-Mechanismus für eine Maschine zur additiven Fertigung bekannt, bei dem die Breite der Düsenöffnung einstellbar ist. Dadurch können Materialbahnen unterschiedlicher Breite erzeugt werden.

Aus der Druckschrift WO 2015/120429 AI ist ein 3D-Drucker mit einer rotierbaren Düse bekannt, wobei ein durch die Düse extrudierbares Filament faserige Füllstoffe enthält und durch die Rotation der Düse die Ausrichtung der Fasern beeinflusst werden kann.

Aus der Druckschrift US 2015/0290860 AI sind Düsen für einen 3D-Drucker bekannt, deren Materialaustrittsöffnungen keinen kreisrunden Querschnitt aufweisen.

Aus der Druckschrift US 6,505,089 Bl ist eine Methode zur Er ^¬ zeugung eines dreidimensionalen Objekts bekannt, bei dem ein rotationssymmetrisches Objekt aus einzelnen Scheiben mit un ^¬ terschiedlichem Radius erzeugt werden kann. Zur Erzeugung der Scheiben wird eine Düse mit variabler Breite verwendet.

Aus der Druckschrift CN 104085112 A ist eine Düse für einen 3D-Drucker bekannt, bei der der Querschnitt der Düsenöffnung variiert werden kann. In Abhängigkeit des Querschnitts kann die Menge des innerhalb einer bestimmten Zeit extrudierten Materials eingestellt werden.

Sollen bei einem Werkstück sehr unterschiedliche Strukturen erzeugt werden, so können diese mit unterschiedlichen Düsen erzeugt werden. Dazu ist entweder ein zeitaufwändiger Wechsel der Düsen während der Herstellung des Werkstücks erforderlich, oder es muss eine aufwändige und verhältnismäßig teure Maschine verwendet werden, bei der gleichzeitig unterschied ^¬ lich große Düsen vorhanden sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf kostengünstige Weise die Herstellung unterschiedlich breiter Strukturen bei der additiven Fertigung eines Werkstücks zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch die Verwendung einer Düse mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die erfindungsgemäße Düse weist eine Materialaustrittsöffnung mit einem längli- chen, beispielsweise ovalen Querschnitt auf. Je nach Stellung der Düse in Bezug zur Bewegungsrichtung beim Materialauftrag können so mit ein und derselben Düse Material-Bahnen unterschiedlicher Breite erzeugt werden. Unter einem länglichen Querschnitt ist dabei allgemein ein

Querschnitt zu verstehen, der im Verhältnis zu seiner Breite eine größere Länge aufweist und somit insbesondere von einem kreisrunden oder quadratischen Querschnitt abweicht. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Form der Materialaustrittsöffnung durch zwei sich gegenüberliegend angeordnete und zumindest näherungsweise halbkreisförmige Abschnitte gebildet wird, die um ein Vielfa ^¬ ches ihres Radius voneinander beabstandet sind. Vorteilhaft ist ein Zwischenbereich der Materialaustrittsöffnung zwischen den beiden halbkreisförmigen Abschnitten in der Mitte schmaler als der Durchmesser eines Halbkreises. Der Zwischenbe ^¬ reich hat somit eine konkave Wölbung. Diese spezielle Form ^¬ gebung hat den Vorteil, dass der Druckverlust während der Ma- terial Extrusion über die gesamte Materialaustrittsöffnung zumindest näherungsweise den gleichen Wert hat. Dadurch las ^¬ sen sich besonders homogene Material-Schichten erzeugen.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Lösung der eingangs ge ^¬ stellten Aufgabe sieht vor, dass eine Schmelze zum Erzeugen einer Material-Bahn durch eine wie oben beschrieben ausgebildete Düse gepresst wird während die Düse entlang einer vorbe ^¬ stimmten Bahn bewegt wird. Durch Drehen der Düse gegenüber dem Werkstück um eine Rotationsachse kann durch Einstellung einer bestimmten Winkelstellung in Bezug auf die Bewegungs- richtung eine bestimmte Breite der erzeugten Material-Bahn eingestellt werden. Zum Drehen der Düse relativ zum Werkstück kann die Düse mit einer entsprechenden Rotationsachse verse ^¬ hen sein, um die die Düse gedreht werden kann. Weiterhin kann auch das Werkstück um eine Rotationsachse gedreht werden, beispielsweise indem es auf einem um eine Rotationsachse drehbaren Werkzeugtisch befestigt ist. Darüber hinaus ist es zur Rotation der Düse relativ zum Werkstück auch möglich, dass sowohl die Düse als auch das Werkstück jeweils um eine Rotationsachse drehbar sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung fällt die Symmetrieachse der Düse bzw. der Materialaustrittsöffnung der Düse mit der Rotationsachse der Düse zusammen. Die Rotation ^¬ sachse steht weiterhin vorzugsweise senkrecht auf der Bewe ^¬ gungsrichtung der Düse bzw. der Ebene, in der die Düse bewegt wird. Durch diesen Aufbau kann eine besonders einfache und kostengünstige erfindungsgemäße Maschine erreicht werden.

Bei der erfindungsgemäßen Maschine kann durch wenigstens eine, gegenüber herkömmlichen Maschinen zur additiven Fertigung zusätzliche gesteuerte Achse schnell und flexibel auf unter ^¬ schiedliche Anforderungen reagiert werden. Vorteilhaft können ohne zeit- und kostenaufwändige Veränderungen an der Maschi ^¬ ne, insbesondere ohne Wechseln der verwendeten Düse, sofort Material-Bahnen unterschiedlicher Breite erzeugt werden. Es ist sogar möglich, bei einer einzelnen erzeugten Material- Bahn deren Breite im Verlauf der Material-Bahn zu variieren. Somit lassen sich mit einer Düse einerseits sehr filigrane Strukturen realisieren und andererseits Bereiche des Werk ^¬ stücks mit grober Struktur vergleichsweise schnell herstel ^¬ len. Durch Drehen der Düse um einen bestimmten Winkel um die Rotationsachse und die dynamisch Anpassung des so eingestell- ten Rotationswinkels in Bezug auf eine Referenzachse, bei ^¬ spielsweise eine Linearachse der betreffenden Maschine, kann die Breite der erzeugten Material-Bahn in einfacher Weise eingestellt bzw. variiert werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass zwischen Extremwerten beliebige Wandstärken realisiert werden können. Mit der herkömmlichen Technik können lediglich Wand- stärken, die einem Vielfachen der Nennwandstärke entsprechen, erzeugt werden, also lx oder 2x oder 3x ... die Nennwandstärke.

Werden mittels einer Düse mit kreisrundem Querschnitt der Ma- terialaustrittsöffnung krummlinige Material-Bahnen erzeugt, so hat eine Änderung der Bewegungsrichtung keinen Einfluss auf die Breite der erzeugten Material-Bahn. Anders hingegen bei der erfindungsgemäßen Verwendung einer Düse, deren Materialaustrittsöffnung einen länglichen Querschnitt aufweist. Ohne Nachjustierung des Rotationswinkels würde die Breite ei ^¬ ner erzeugten Material-Bahn abhängig von der jeweiligen Bewegungsrichtung beim Erzeugen der Bahn Schwankungen unterworfen sein. Um diesen Effekt zu vermeiden, sieht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, bei einer Änderung der Be- wegungsrichtung bei der Bewegung der Düse entlang einer vorbestimmten, nicht geradlinigen Bahn den Rotationswinkel der Düse an die jeweilige Krümmung der Bahn bzw. die jeweilige Bewegungsrichtung anzupassen. Die Anpassung erfolgt insbesondere so, dass die Breite der jeweils erzeugten Material-Bahn über ihren gesamten Verlauf gleich bleibt. Dies wird insbe ^¬ sondere dadurch erreicht, dass der Rotationswinkel der Düse stets so eingestellt wird, dass ein Winkel, den eine in der Ebene der Materialaustrittsöffnung verlaufende Symmetrieachse der Materialaustrittsöffnung und die jeweilige Bewegungsrich- tung einschließen, konstant gehalten wird. Somit kann auch bei Verwendung einer Düse mit länglichem Querschnitt der Materialaustrittsöffnung der gleiche Effekt wie bei der Verwendung einer Düse mit kreisrunder Materialaustrittsöffnung erreicht werden, nämlich die Erzeugung von Material-Bahnen mit über ihrem gesamten Verlauf gleichbleibender Breite, auch bei einem nicht geradlinigen Verlauf der Material-Bahnen.

Eine erfindungsgemäße Maschine zur additiven Fertigung eines Werkstücks mittels Materialextrusion sieht wie üblich eine Positioniereinrichtung mit wenigstens drei linearen Achsen zur Positionierung einer Düse in einem Arbeitsraum vor. Die Positioniereinrichtung wird durch eine damit verbundene Steu ^¬ ereinrichtung gesteuert. Bei der Verwendung einer Düse mit länglichem Querschnitt der Materialaustrittsöffnung umfasst die Positioniereinrichtung ferner eine Rotationsachse, die vorteilhaft durch die Symmetrieachse der Düse und insbesonde ^¬ re durch die senkrecht durch die Materialaustrittsöffnung der Düse verlaufende Symmetrieachse der Materialaustrittsöffnung verläuft und bei der beliebige Rotationswinkel eingestellt werden können. Bei der Rotationsachse handelt es sich somit um eine gesteuerte Achse der betreffenden Maschine, die eben ^¬ falls durch die Steuereinrichtung der Maschine gesteuert wird. Vorteilhaft wird der Rotationswinkel beim Erzeugen ei ^¬ ner Bahn stets so eingestellt, dass unabhängig von der Bewe ^¬ gungsrichtung beim Erzeugen der Bahn die Breite der Bahn über deren gesamten Verlauf konstant bleibt. Der für die jeweilige Bewegung der Düse entlang der vorbestimmten Bahn erforderli- che Rotationswinkel wird für jede Position und Bewegungsrich ^¬ tung der Düse mittels einer geeigneten Software der Steuereinrichtung ermittelt und eingestellt.

Gegebenenfalls ist es auch erforderlich, die Menge des durch die Düse gedrückten Materials an den Rotationswinkel anzupas ^¬ sen, insbesondere wenn Bahnen unterschiedlicher oder variabler Breite, aber konstanter Schichtdicke erzeugt werden sol ^¬ len. Je schmaler die erzeugte Bahn, umso weniger Schmelze darf in einer bestimmten Zeiteinheit durch die Düse gedrückt werden, damit die Schichtdicke konstant bleibt. Auch die diesbezügliche Materialmenge wird durch die Steuerung bzw. die darauf laufende Software entsprechend bestimmt und gere ^¬ gelt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie- len näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren

FIG 1 die Erzeugung von Material-Bahnen für eine fei- ne Struktur gemäß dem Stand der Technik,

FIG 2 die Erzeugung von Material-Bahnen für eine

be Struktur gemäß dem Stand der Technik,

FIG 3 die Erzeugung einer Material-Bahn variabler

Breite gemäß der Erfindung, FIG 4 die Erzeugung einer krummlinigen Material-Bahn konstanter Breite gemäß der Erfindung,

FIG 5 eine erfindungsgemäße Maschine zur additiven

Fertigung, und

FIG 6 einen vorteilhaften Querschnitt der Materialaustrittsöffnung einer erfindungsgemäßen Düse.

Figur 1 veranschaulicht die Erzeugung einer Sollkontur K mittels einer Düse mit einem kleinen kreisrunden Querschnitt D _K der Materialaustrittsöffnung gemäß dem Stand der Technik.

Mittels der Düse können feine Strukturen erzeugt werden, je ^¬ doch müssen zum Erzeugen einer groben Struktur viele Material-Bahnen Bl bis B4 nebeneinander erzeugt werden. Dies ist zeit- und damit kostenaufwändig . Aus der Figur ist eine

Draufsicht auf die nebeneinander angeordneten Material-Bahnen Bl bis B4 ersichtlich, wobei zum Erzeugen einer dreidimensionalen Sollkontur K viele Material-Bahnen übereinander geschichtet werden. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, kann die gezeigte Sollkontur K mittels der verwendeten Düse mit einem kleinen kreisrunden Querschnitt D _K nur relativ ungenau erzeugt werden.

Figur 2 veranschaulicht die Erzeugung der Sollkontur K mit- tels einer Düse mit einem vergleichsweise großen Durchmesser der kreisrunden Materialaustrittsöffnung D _G . Hier kann zwar mit einer Material-Bahn B pro Schicht eine vergleichsweise breite Struktur hergestellt werden, jedoch ist es damit nicht möglich, feine Strukturen zu erzeugen, wie aus der Figur er- sichtlich ist. Die Sollkontur K kann somit mit der gezeigten Düse nicht erzeugt werden.

Figur 3 veranschaulicht die Erzeugung der Sollkontur K unter erfindungsgemäßer Verwendung einer Düse mit einem länglichen, insbesondere ovalen Querschnitt der Materialaustrittsöffnung D _E . Durch Drehen der Düse in Bezug auf die Bewegungsrichtung v, d.h. durch Drehen der Düse um eine senkrecht durch die Materialaustrittsöffnung D _E verlaufende Symmetrieachse S der Düse bzw. der Materialaustrittsöffnung D _E um einen Rotationswinkel kann die Breite der erzeugten Material-Bahn B _v variiert werden. Der Winkel wird im Ausführungsbeispiel zwi ^¬ schen der aktuellen Bewegungsrichtung v und einer in der Ebe- ne der Materialaustrittsöffnung D _E liegende Symmetrieachse a der Materialaustrittsöffnung D _E aufgespannt. Durch die Erfindung ist es möglich, mit ein und derselben Düse sowohl Material-Bahnen B _v verhältnismäßig großer Breite als auch sehr schmale Material-Bahnen zu erzeugen. Insbesondere kann, wie das Ausführungsbeispiel zeigt, auch im Verlauf einer Materi ^¬ al-Bahn B _v deren Bahnbreite variiert werden. Ein zeit- und kostenaufwändiges Wechseln der Düse ist zur Erzeugung unterschiedlich breiter Material-Bahnen nicht mehr erforderlich. Weiterhin ist aus Figur 3 ersichtlich, dass die gewünschte Sollkontur K sehr genau eingehalten werden kann.

Figur 4 veranschaulicht die Erzeugung einer krummlinigen Material-Bahn B _K konstanter Breite b durch Anpassung des Rota- tionswinkels ß an den Bahnverlauf. Der Rotationswinkel ß, um den die Düse um die senkrecht durch die Materialaustrittsöff ^¬ nung D _E der Düse verlaufende Symmetrieachse S gedreht wird, wird stets so an die aktuelle Bewegungsrichtung v der Düse angepasst, dass die Breite b der erzeugten Material-Bahn kon- stant bleibt. Insbesondere wird im Ausführungsbeispiel der

Rotationswinkel ß stets so eingestellt, dass die in der Ebene der Materialaustrittsöffnung D _E verlaufende Symmetrieachse a der Materialaustrittsöffnung D _E mit der Bewegungsrichtung v einen Winkel von 90° einschließt. Damit wird unabhängig von der Bewegungsrichtung stets eine Material-Bahn B _K maximaler Breite b erzeugt. Ebenso ließen sich auch andere Winkel ein ^¬ stellen und in Bezug auf die jeweilige Bewegungsrichtung konstant halten, so dass vergleichsweise schmale Material-Bahnen konstanter Breite erzeugt werden.

Figur 5 zeigt in schematischer, stark vereinfachter Darstellung die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Maschine 1 zur additiven Fertigung eines Werkstücks 2. Durch die drei gesteuerten Linearachsen x, y und z kann eine erfindungsgemäße Düse 3 beliebig im Arbeitsraum 4 der Maschine re ^¬ lativ zu dem Werkstück 2 positioniert werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel können ein Werkstücktisch 9 in x- und y- Richtung und eine Aufnahme der Düse 3 und damit die Düse 3 selbst in z-Richtung bezüglich eines ortsfesten Maschinen- Koordinatensystems x, y, z verfahren werden. Insbesondere kann durch eine entsprechende Steuerung der Achsen x, y und z mittels entsprechender Antriebe (nicht dargestellt) und der Steuereinrichtung 5 das Werkstück 2 schichtweise durch Mate- rialextrusion hergestellt werden. Neben den gezeigten Achsen kann die betreffende Maschine 1 auch weitere Achsen, z.B. Ro ^¬ tationsachsen zum Schwenken des Werkstücktisches 9 oder Rotationsachsen zum Schwenken der Aufnahme der Düse 3 (nicht dar- gestellt) aufweisen.

Im Unterschied zu herkömmlichen Maschinen zur additiven Fertigung umfasst die erfindungsgemäße Maschine 1 weiterhin eine gesteuerte Rotationsachse 6, die im Ausführungsbeispiel mit der Symmetrieachse der Düse 3 bzw. einer senkrecht durch die Materialaustrittsöffnung (nicht dargestellt) verlaufende Sym ^¬ metrieachse der Materialaustrittsöffnung der Düse 3 zusammenfällt, und mittels derer die Ausrichtung der Materialaus ^¬ trittsöffnung der Düse 3 in Bezug auf die ortsfesten Maschi- nenachsen x, y und z bzw. in Bezug auf eine variable Bewe ^¬ gungsrichtung v der Düse 3 eingestellt werden kann. Durch Drehen der Düse 3 um einen bestimmten Winkel um die Rotationsachse 6 und die dynamisch Anpassung des so eingestellten Rotationswinkels in Bezug auf eine Referenzachse, beispielswei- se eine der Linearachsen x, y, z der betreffenden Maschine 1, kann die Breite 8 der erzeugten Material-Bahn 7 in einfacher Weise eingestellt bzw. variiert werden. Vorteilhaft können durch diese Anordnung unter Verwendung ein und derselben Düse 3 Material-Bahnen 7 unterschiedlicher Breite 8 bzw. mit vari- abler Breite 8 erzeugt werden.

Ferner kann mittels der Steuereinrichtung 5 der Rotationswinkel derart dynamisch angepasst werden, dass sich auch bei krummlinigen Material-Bahnen in jedem Bereich der Material- Bahn die gewünschte Breite einstellt. Insbesondere wird mit ^¬ tels einer von der Steuereinrichtung 5 umfassten Steuerungssoftware bei einer Änderung der Krümmung bei der Bewegung der Düse 3 entlang einer gekrümmten Bahn eine bestimmte Breite der Bahn dadurch eingestellt, dass der Rotationswinkels, um den die Düse um die Rotationsachse gedreht wird, dynamisch an den Krümmungsradius der Bahn bzw. an die aktuelle Bewegungs ^¬ richtung v der Düse 3 angepasst wird.

Eine besonders vorteilhafte Form einer Materialaustrittsöff ^¬ nung 10 einer erfindungsgemäßen Düse zeigt Figur 6. Die Materialaustrittsöffnung 10 wird links und rechts durch zwei je ^¬ weils wenigstens im Wesentlichen halbkreisförmige Strukturen Kl und K2 begrenzt. Kl und K2 sind in einem Abstand d vonei ^¬ nander angeordnet, der ein Vielfaches des Radius r der kreis ^¬ förmigen Strukturen Kl und K2 beträgt. Zwischen den beiden kreisförmigen Abschnitten Kl und K2 wird die Materialaustrittsöffnung 10 durch einen Zwischenbereich Z begrenzt, der eine konkave Wölbung aufweist. Dies bedeutet, dass der Zwi ^¬ schenbereich Z in der Mitte schmaler ist als im Übergangsbereich zu den beiden Kreisabschnitten Kl und K2. Insbesondere ist die Breite d _M der Materialaustrittsöffnung in der Mitte der Materialaustrittsöffnung kleiner als der Durchmesser d _R der Halbkreise Kl oder K2. Durch die besondere Formgebung der Materialaustrittsöffnung 10 lässt sich erreichen, dass der Druckverlust während der Material Extrusion über die gesamte Materialaustrittsöffnung 10 zumindest näherungsweise den gleichen Wert aufweist.