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Title:
DEVICE FOR MELTING AND EXTRUDING A FILAMENT FOR MELT LAYER APPLICATION, AND PRINTER FOR 3D PRINTING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/063455
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for melting and extruding a feedstock in the form of a filament for a melt layer application. The device comprises: a filament feed having a filament inlet for feeding the filament into an advancing region of the filament feed for advancing the filament; a heating apparatus for melting the filament to form a melted feedstock in a melting region following the advancing region; and an extrusion nozzle for extruding the melted feedstock. In the case of melting between the advancing region and the melting region, a transition region having a temperature gradient is formed. The device has at least one inlet apparatus for introducing a coolant and at least one outlet apparatus for discharging the coolant in such a way that the coolant is aimed directly at a surface of the filament and/or of the melted feedstock for cooling. The invention further relates to a printer for 3D printing by means of melt layer application to a construction platform.

Inventors:
PHILIPP DIRK (DE)
Application Number:
PCT/DE2020/200079
Publication Date:
April 08, 2021
Filing Date:
September 24, 2020
Export Citation:
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Assignee:
PHILIPP DIRK (DE)
International Classes:
B29C64/118; B29C48/02; B29C48/05; B29C48/285; B29C48/797; B29C64/209
Domestic Patent References:
WO2018039260A12018-03-01
WO2017195159A12017-11-16
Foreign References:
DE102016006247A12017-11-23
US20170298521A12017-10-19
DE102016006247A12017-11-23
Attorney, Agent or Firm:
WEIDNER STERN JESCHKE PATENTANWÄLTE PARTNERSCHAFT MBB (DE)
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Claims:
Patentansprüche:

1. Vorrichtung (101, 201, 301) zum Schmelzen und Extrudieren eines Ausgangsmaterial in Form eines Filamentes (111, 211, 311) für einen Schmelzschichtauftrag, wobei die Vorrichtung eine FilamentZuführung mit einem Filamenteinlass (109, 209) zur Zufuhr des Filamentes in einen Vorschubbereich (123, 223, 323) der FilamentZuführung zum Vorschieben des

Filamentes, eine Heizeinrichtung (107, 207, 307) zum

Schmelzen des Filamentes zu einem geschmolzenen Ausgangsmaterial in einem dem Vorschubbereich nachfolgenden Schmelzbereich (127, 227, 327), und eine Extrusionsdüse

(105, 205, 305) zum Extrudieren des geschmolzenen

Ausgangsmaterials aufweist, wobei im Falle des Schmelzens zwischen dem Vorschubbereich und dem Schmelzbereich ein Übergangsbereich (125, 225, 235) mit einem

Temperaturgradienten ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Einlasseinrichtung (115, 215, 315) zum Einbringen eines

Kühlmittels und mindestens eine Auslasseinrichtung (117, 217, 317) zum Ausbringen des Kühlmittels derart aufweist, dass das Kühlmittel direkt auf eine Oberfläche des Filamentes und/oder des geschmolzenen Ausgangsmaterials zum Kühlen gerichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine zweite Einlasseinrichtung, eine dritte Einlasseinrichtung, eine vierte Einlasseinrichtung und/oder weitere Einlasseinrichtungen zum Einbringen des Kühlmittels und/oder eine zweite Auslasseinrichtung, eine dritte Auslasseinrichtung, eine vierte Auslasseinrichtung und/oder weitere Auslasseinrichtungen zum Ausbringen des Kühlmittels aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Spalt (119, 219, 319) zwischen einer inneren Wand der Vorrichtung und dem Filament aufweist, sodass das Kühlmittel durch den Spalt von der Einlasseinrichtung oder von den Einlasseinrichtungen zu der Auslasseinrichtung oder zu den Auslasseinrichtungen strömbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasseinrichtung oder die Einlasseinrichtungen zum Einbringen des Kühlmittels am Filamenteinlass und/oder am Vorschubbereich und die Auslasseinrichtung oder die Auslasseinrichtungen zum Ausbringen des Kühlmittels am Übergangsbereich und/oder am Schmelzbereich angeordnet sind oder umgekehrt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasseinrichtung oder die

Einlasseinrichtungen zum Einbringen des Kühlmittels nach dem Vorschubbereich an einem Anfang des Übergangsbereiches und die Auslasseinrichtung oder die Auslasseinrichtungen an einem Ende des Übergangsbereiches vor dem Schmelzbereich angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlasseinrichtung oder die

Einlasseinrichtungen und die Auslasseinrichtung oder die Auslasseinrichtungen derart angeordnet sind, dass das

Kühlmittel in einem Gleichstrom, einem Gegenstrom oder einem Kreuzstrom zur Vorschubrichtung (129) des Filamentes führbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung am Filamenteinlass und/oder an der Extrusionsdüse eine Schleuse (304) zum

Verhindern eines Austretens des Kühlmittels aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Kühlmittel eine Flüssigkeit und/oder ein Gas, insbesondere ein Inert- und/oder Schutzgas, aufweist.

9. Drucker zum 3-D-Drucken mittels Schmelzschichtauftrag auf einer Bauplattform, dadurch gekennzeichnet, dass der

Drucker mindestens eine Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Filamentes für einen

Schmelzschichtauftrag nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.

10. Drucker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der

Drucker eine neigbare Bauplattform aufweist.

Description:
Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Filamentes für einen Schmelzschichtauftrag und Drucker zum 3-D-Drucken

[01] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Ausgangsmaterials in Form eines Filamentes für einen Schmelzschichtauftrag, wobei die Vorrichtung eine FilamentZuführung mit einem Filamenteinlass zur Zufuhr des Filamentes in einen Vorschubbereich der FilamentZuführung zum Vorschieben des Filamentes, eine Heizeinrichtung zum Schmelzen des Filamentes zu einem geschmolzenen Ausgangsmaterial in einem dem Vorschubbereich nachfolgenden Schmelzbereich, und eine Extrusionsdüse zum Extrudieren des geschmolzenen Ausgangsmaterials aufweist, wobei im Falle des Schmelzens zwischen dem Vorschubbereich und dem Schmelzbereich ein Übergangsbereich mit einem Temperaturgradienten ausgebildet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Drucker zum 3-D-Drucken mittels Schmelzschichtauftrag auf einer Bauplattform.

[02] Im industriellen und privaten Bereich eingesetzte 3-D- Drucker verwenden häufig das schichtweise Aufträgen aufschmelzbarer Ausgangsmaterialien, häufig Thermoplaste, zur additiven Fertigung von Bauteilen (auch Fused Layer Modelling/Manufacturing, FLM). Für den Schmelzschichtauftrag wird ein Ausgangsmaterial in Form eines festen Filamentes geschmolzen, das geschmolzene Ausgangsmaterial durch eine Extrusionsdüse extrudiert und auf eine Bauplattform oder der Bauplatte einer Bauplattform schichtweise aufgetragen, sodass ein Verbund des extrudierten Materials mit einer vorgegebenen Form entsteht.

[03] Bei Schmelzeextrudern weist die Zuführung des Filamentes innerhalb des Vorschubbereiches üblicherweise eine niedrige Temperatur auf, damit eine hohe Druckfestigkeit des Filamentes bestehen bleibt und dieses die Kraft, mit welcher das Filament in den Schmelzbereich geschoben wird, überträgt, sodass die übertragene Druckkraft im Schmelzbereich zur Druckerzeugung und somit zur Extrusion des geschmolzenen Ausgangsmaterials aus der Extrusionsdüse führt. Im Schmelzbereich des Schmelzextruders ist üblicherweise eine externe Heizung zum Aufschmelzen des Filamentes angebracht.

[04] Um in einem definierten Übergangsbereich zwischen dem kalten Vorschubbereich und dem heißen Schmelzbereich einen definierten Temperaturgradienten einzustellen, wird die FilamentZuführung gekühlt. Dazu werden bei herkömmlichen Extrudern indirekte Kühlvorrichtungen verwendet, bei welchen der Extruderkanal im kalten Vorschubbereich von außen mittels eines Fluides, beispielsweise Luft, gekühlt wird. Nachteilig bei derartigen herkömmlichen Extrudern ist, dass die Wärme nur indirekt durch Wärmeleitung über die Wandung des Einlassbereichs abgeleitet wird.

[05] Häufig sind Extruder im Einsatz, bei denen die FilamentZuführung von außen mit Kühlrippen versehen ist. Diese werden üblicherweise mit einem Ventilator belüftet, sodass die Wärme innerhalb des Vorschubbereiches vom Filament hauptsächlich durch Wärmeleitung an die Wandung der FilamentZuführung übertragen und an deren Außenseite über die Kühlrippen durch Konvektion an die Luft abgegeben wird. Nachteilig hierbei ist, dass die außen an- und/oder aufgebrachten Kühlvorrichtungen und -mittel eine große Breite des Druckkopfes einnehmen und somit einen großen Extruderraum im Arbeitsbereich des 3-D-Druckers belegen. Gewöhnlich führt dies zu einem größeren Platzbedarf der mechanischen Führung des Druckkopfes innerhalb der Baukammer des 3-D-Druckers sowie zu einer höheren Masse des Druckkopfes.

[06] Aus der DE 102016 006 247 Al ist eine Anordnung für eine Laserheizung zum Aufschmelzen von einem Filament bekannt, wobei der Laser durch eine Bohrung auf einen Umlenkringspiegel kurz vor der Extruderdüse gelenkt wird, um bevorzugt mit einem Winkel von 45 Grad auf das Filament aufzutreffen und dieses aufzuschmelzen. Des Weiteren wird die Kühlung eines optisch transparenten Düsenkörpers beschrieben.

[07] Zudem besteht ein weiterer Nachteil der von außen gekühlten Schmelzextruder in dem geringen Temperaturgradienten des Filamentes in Vorschubrichtung infolge einer in Vorschubrichtung weiten Strecke der Wärmeabfuhr, wodurch ein in Vorschubrichtung langer Übergangsbereich und eine hohe Gefahr des Verstopfens des Extruders auftritt, da aufgrund eines zu niedrigen Temperaturgradienten entlang der Vorschubrichtung das Filament über eine lange Wegstrecke nur leicht erweicht, durch die Kraft des Vorschubs radial aufgeweitet wird und dadurch entlang einer weiten Strecke entlang der Vorschubrichtung über den ganzen Umfang stark an der Wand des Zufuhrkanals anhaftet. Durch den Vorschub wird an der Zufuhrkanalwand in das Filament folglich über einen weiten Bereich eine Scherkraft eingeleitet und somit das Filament stark im Kanal abgebremst, sodass die Kraft der Zufuhreinrichtung nicht mehr ausreicht, um das Filament weiter in den Schmelzbereich zu schieben. Insbesondere im Falle einer nur zeitweisen derartigen Erweichung und Anhaftung des Filamentes an der Zufuhrkanalwand mit einer anschließenden Abkühlung und Verfestigung wird der Vorschub des Filamentes stark blockiert. Die dadurch erforderliche Blockade erfordert üblicherweise eine aufwändige Reinigung oder sogar einen Ersatz des Extruders. Vor allem bei Extrudern mit hochschmelzenden Werkstoffen, wie beispielsweise einem mineralischen Glas, kann das Verstopfen des Extruders irreparabel oder nur mit einem sehr großen Aufwand behebbar sein, was bei aufgrund ihres Werkstoffs und/oder aufwendigen Herstellungsverfahrens beispielsweise aus Keramik gefertigten hochwertigen Extrudern zu einem deutlichen wirtschaftlichen Schaden führt.

[08] Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern .

[09] Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Ausgangsmaterials in Form eines Filamentes für einen Schmelzschichtauftrag, wobei die Vorrichtung eine FilamentZuführung mit einem Filamenteinlass zur Zufuhr des Filamentes in einen Vorschubbereich der FilamentZuführung zum Vorschieben des Filamentes, eine Heizeinrichtung zum Schmelzen des Filamentes zu einem geschmolzenen Ausgangsmaterial in einem dem Vorschubbereich nachfolgenden Schmelzbereich, und eine Extrusionsdüse zum Extrudieren des geschmolzenen Ausgangsmaterials aufweist, wobei im Falle des Schmelzens zwischen dem Vorschubbereich und dem Schmelzbereich ein Übergangsbereich mit einem Temperaturgradienten ausgebildet wird, und die Vorrichtung mindestens eine Einlasseinrichtung zum Einbringen eines Kühlmittels und mindestens einer Auslasseinrichtung zum Ausbringen des Kühlmittels derart aufweist, dass das Kühlmittel direkt auf eine Oberfläche des Filamentes und/oder des geschmolzenen Ausgangsmaterials zum Kühlen gerichtet ist.

[10] Mittels der Anordnung der Einlasseinrichtung und der Auslasseinrichtung ist die Strömung des Kühlmittels so gerichtet, dass das Filament und/oder das geschmolzene Ausgangsmaterial durch einen direkten Kontakt mittels des Kühlmittels kühlbar ist oder sind. Das Kühlmittel führt dabei ebenfalls Wärme von einer das Filament umgebenden Wandung ab, sodass diese dem Filament oberhalb des Übergangsbereichs keine Wärme zuführt.

[11] Es ist besonders vorteilhaft, dass das Filament innerhalb der FilamentZuführung mit einem Fluid konvektiv, das bedeutet durch direkten Wärmetransport zwischen einem an dem Filament entlangströmenden Fluid oder auf das Filament gerichtetes Fluid und der Filamentoberfläche, gekühlt und beim Schmelzvorgang zwischen dem Vorschubbereich und dem Schmelzbereich ein kurzer Übergangsbereich mit einem großen Temperaturgradienten innerhalb des Filamentes in Vorschubrichtung ausgebildet wird. [12] Dadurch, dass eine direkte Kühlung des Filamentes mittels eines Kühlmittels aufgrund von direkt an der Filamentoberfläche erzwungener Konvektion bis bevorzugt unmittelbar kurz vor dem Schmelzbereich erfolgt, liegt eine optimale Wärmeabfuhr im kalten Filamentzufuhrbereich vor. Hierbei tritt das Kühlmittel direkt mit der Außenoberfläche des Filamentes in Kontakt, sodass ein schneller und optimaler Wärmeübergang vom Filament direkt auf das Kühlmittel erzielt wird. Durch den direkten Kontakt ist das Ausmaß der Kühlung des Filamentes unmittelbar über die Temperatur, die Strömungsgeschwindigkeit und/oder -richtung und/oder den Volumenstrom des Kühlmittels Steuer- und/oder regelbar.

[13] Aufgrund der direkten Kühlung des Filamentes und somit dem Wegfall von Kühlrippen, Ventilatoren oder anderen Einrichtungen zum Zuführen von Kühlmittel auf die äußere Oberfläche des Extruders, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine geringere Baugröße, insbesondere geringere Abmessungen quer zur Vorschubrichtung des Filamentes auf, wodurch eine höhere Bewegungsfreiheit der Vorrichtung in der Baukammer des additiven Fertigungssystems vorliegt und komplexere Bauteile durch Schmelzschichtauftrag realisierbar sind. Somit stellt die Vorrichtung einen leichteren Druckkopf mit geringerer Massenträgheit und einer leichter möglichen Beschleunigung dar. Folglich kann der Druckkopf mit kleineren erforderlichen Antrieben betrieben werden.

[14] Somit kann entsprechend der Eigenschaft des Ausgangsmaterials des Filamentes und insbesondere seiner Schmelztemperatur, seines Schmelzpunktes und seiner Viskosität spezifisch die Weglänge des Übergangsbereiches und somit die Stärke des Temperaturgradienten beim Aufheizen und Schmelzen eingestellt werden. Folglich können auch Filamente aus sehr elastischen Ausgangsmaterialien im Filamentzufuhrbereich optimal gekühlt werden, sodass diese eine ausreichende Druckfestigkeit aufweisen und durch ihr steifes Verhalten optimal in den Schmelzbereich des Extruders geschoben, aufgeschmolzen und extrudiert werden können.

[15] Zudem können Materialveränderungen bei denjenigen Filamenten aufgrund einer kürzeren Wegstrecke der Erwärmung im Übergangsbereich vermieden werden, welche bei höheren Temperaturen chemisch reagieren und/oder sich chemisch, physikalisch, biologisch und/oder anderweitig verändern.

[16] Durch die optimale direkte Kühlung im Vorschubbereich kann das Filament mit einer höheren Vorschubkraft in den Schmelzbereich geschoben und somit ein höherer Materialvolumenstrom beim Aufbringen der Schmelzschichten auf die Bauplattform oder eine auf dieser angebrachten Bauplatte als bei herkömmlichen Extrudern realisiert werden. Folglich kann die Druckgeschwindigkeit des 3-D-Druckers erhöht werden.

[17] Bei der Verwendung eines Extruders in einer beheizten Baukammer ist die direkte Kühlung des Filamentes besonders vorteilhaft, da hierbei ein Kühlfluid mit einem geringen konstruktiven Aufwand von außen in die Baukammer durch den gesamten Filamentzufuhrbereich bis vor den Schmelzbereich gefördert werden und so das Filament durch eine optimale Kühlung und die daraus folgende Drucksteifigkeit mit hohen Kräften zum Extruder geschoben werden kann. Dies bietet eine erhebliche konstruktive Vereinfachung gegenüber herkömmlichen Systemen, bei welchen beispielsweise durch zusätzliche am Filamentzufuhrbereich außen angebrachte Kühlmittelkreisläufe angeordnet sind, deren Aufbau einen großen Bauraum einnehmen und insbesondere bei der Verwendung flüssiger Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, ein erhebliches Mehrgewicht des Druckkopfes verursachen, welches sowohl bei der Auslegung des Druckkopfantriebes als auch seiner Führung berücksichtigt werden muss und in der Regel zu höheren Herstellungskosten führt.

[18] Folglich wird ein universell einsetzbarer Schmelzextruder und ein entsprechender 3-D-Drucker für einen Schmelzschichtauftrag bereitgestellt, in welchem unterschiedlichste Ausgangsmaterialien in Form von Filamenten optimal aufgeschmolzen werden können.

[19] Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, durch eine direkte und präzise Kühlung des Filamentes im Zufuhrbereich das Filament zunächst auf eine annähernd konstante Temperatur für einen reibungsarmen Vorschub zu halten und erst nach räumlicher Beendung der Kühlmittelströmung im Vorschubbereich der Vorrichtung einen kurzen Übergangsbereich mit einem großen Temperaturgradienten in Vorschubrichtung und schnellem Anstieg der Temperatur des Filamentes auf die Schmelztemperatur unmittelbar vor dem Schmelzbereich auszugestalten . [20] Auch ist die Vorrichtung derart gestaltbar, dass mehrere verschiedene Filamente, beispielsweise mit unterschiedlichen Farben, gleichzeitig in denselben Schmelzbereich einer Extrusionsdüse geschoben werden können, um die Bauteileigenschaften, wie beispielsweise die Farbe, Festigkeit oder Härte, an bestimmten Stellen des Bauteils gezielt zu beeinflussen.

[21] Folgendes Begriffliche sei erläutert:

[22] Eine „Vorrichtung" (auch „Extrudiervorrichtung" oder „Extruder" genannt) ist insbesondere eine Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Ausgangsmaterials. In der Vorrichtung wird insbesondere ein festes Ausgangsmaterial mittels einer FilamentZuführung in Richtung auf die Extrusionsdüse vorgeschoben und mittels einer Heizeinrichtung wird das Ausgangsmaterial während des Vorschiebens zu dem geschmolzenen Ausgangsmaterial aufgeschmolzen, wobei das geschmolzene Ausgangsmaterial durch die Extruderdüse extrudiert wird.

[23] Ein „Ausgangsmaterial" (auch als „Grundmaterial" bezeichnet) ist insbesondere ein festes Material, welches aufgeschmolzen und in geschmolzenem Zustand als geschmolzenes Ausgangsmaterial und somit als Auftragsmaterial extrudiert wird. Als Ausgangsmaterial wird insbesondere auch das Massenrohmaterial verstanden, welches für den Aufbauprozess in einer additiven Fertigung geliefert wird. Ein Ausgangsmaterial weist beispielsweise Kunststoff, Kunstharz, Keramik, Glas und/oder Metall und/der Metalllegierung auf. Ein Ausgangsmaterial kann auch Carbon- und/oder Graphitmaterial aufweisen. Zudem kann ein Ausgangsmaterial auch Carbon-, Graphit- und/oder Glasfasern sowie verschiedenste Füllstoffe aufweisen . Prinzipiell kann jegliches Material, welches aufschmelzbar ist, als Ausgangsmaterial verwendet werden.

[24] Unter „Schmelzen" wird insbesondere ein Phasenübergang eines festen Ausgangsmaterials in den pastösen oder flüssigen Aggregatzustand verstanden, sodass das geschmolzene Ausgangsmaterial (Auftragsmaterial) vorliegt. Das Schmelzen erfolgt insbesondere während des Vorschiebens des Ausgangsmaterials in Richtung auf die Extruderdüse mittels der Heizeinrichtung, insbesondere im Übergangs- und Schmelzbereich .

[25] Unter „Extrudieren" wird insbesondere ein Vorschieben und Pressen des geschmolzenen, zähflüssigen Ausgangsmaterials durch die Extruderdüse verstanden.

[26] Unter einem „Schmelzschichtauftrag" wird insbesondere ein schichtweiser Auftrag von geschmolzenem, extrudiertem Ausgangsmaterial mittels der Vorrichtung auf eine Bauplatte einer Bauplattform und/oder einer Bau- und/oder Werkstückplattform verstanden. Beim Schmelzschichtauftrag erfolgt der Aufbau eines Körpers und/oder Bauteils üblicherweise, indem ein 3-D-Druckkopf wiederholt jeweils zeilenweise eine Arbeitsebene abfährt und die Arbeitsebene stapelnd nach oben verschoben wird, sodass eine Form des Körpers und/oder Bauteils schichtweise entsteht.

[27] Unter einem „Filament" wird insbesondere die Form des Ausgangsmaterials verstanden, welches eine sehr viel größere Abmessung seiner Länge im Verhältnis zu seinem Querschnitt, insbesondere zu seinem einheitlichen Querschnitt, aufweist. Bei einem Filament handelt es sich insbesondere um eine einzige Faser oder um mehrere Fasern beliebiger Länge. Bei einem Filament handelt es sich insbesondere auch um ein Druckfilament und/oder um einen einzelnen Strang. Bevorzugt wird das Filament von einer Spule dem Extrudereinlass zugeführt. Ein Filament kann insbesondere einen Kunststoff und/oder ein Polymer, ein Metall, eine Metalllegierung oder Glas oder einer Mischung dieser oder weiterer Materialien aufweisen. Bei einem Filament handelt es sich insbesondere um einen thermoplastischen Kunststoff, wie ABS oder PLA, welcher insbesondere in Drahtform auf Rollen konfektioniert verwendet wird. Bei einem Filament kann es sich auch um einen Draht oder eine Glasfaser oder mehrere Glasfasern handeln. Ein Filament weist insbesondere bei herkömmlichen 3-D- Druckern einen Durchmesser in einem Bereich von 0,4 bis 4,0 mm, bevorzugt von 1,75 bis 3,0 mm, auf. Je nach Anwendung des 3-D-Druckers kann das Filament allerdings auch kleinere oder deutlich größere Durchmesser aufweisen.

[28] Selbstverständlich ist es auch denkbar ein Ausgangsmaterial mit einer im Vergleich zu seinem Querschnitt relativ geringen Länge zu verwenden. Beispielsweise ist es denkbar, kurze beispielsweise würfel- oder kugelförmige Ausgangsmaterialteile entlang der Vorschubrichtung gestapelt in den Schmelzbereich zu schieben.

[29] Insbesondere bei einem Filament, welches eine oder mehrere kurze und/oder endlose Faser oder Fasern in einem diese umgebenden schmelzbaren Ausgangsmaterial entlang der Vorschubrichtung des Filaments enthält, sodass die Fasern zumindest teilweise entlang der Ablegerichtung des extrudierten Ausgangsmaterials liegen, kann die Zugfestigkeit des Gesamtbauteils sehr gezielt beeinflusst und enorm gesteigert werden. Beispielsweise kann eine Endlos-Kohlefaser verwendet werden. Diese muss dabei nicht zwangsläufig bereits in dem noch unaufgeschmolzenen Ausgangsmaterial enthalten sein, sondern kann auch zusätzlich mit einem Filament in den Schmelzbereich geführt werden.

[30] Eine „FilamentZuführung" ist insbesondere eine Einrichtung der Vorrichtung, durch deren Einlass das feste Ausgangsmaterial in Richtung auf die Extruderdüse und somit das aus dem Ausgangsmaterial geschmolzene Auftragsmaterial bewegt und gefördert wird. Die FilamentZuführung weist zum Vorschieben des Filamentes beispielsweise einen Antrieb und/oder Motor, Schienen, Rollen und/oder einen Druckstempel auf.

[31] Bei einer „Heizeinrichtung" handelt es sich insbesondere um ein Heizelement, mit welchem dem festen Ausgangsmaterial Wärme zugeführt wird. Bei dem Heizelement kann es sich insbesondere um ein elektrisches und/oder induktives Heizelement und/oder einer Vorrichtung zur Wärmeerzeugung durch das Verbrennen verschiedenster Brennstoffe handeln. Auch kann die Heizeinrichtung ein mit einem Wärmeträger betriebenes Heizelement aufweisen, zum Beispiel ein mit heißem Öl oder Wasser durchflossenes Heizelement und/oder Heizkammer. Die Heizeinrichtung ist insbesondere vor der Extruderdüse angeordnet und/oder in dieser integriert, sodass eine beheizte Extruderdüse vorliegt. Mittels der Heizeinrichtung wird das Ausgangsmaterial und/oder das Filament im Schmelzbereich bis zur Extruderdüse insbesondere bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 50 °C bis 1400 °C, bevorzugt zwischen 150 °C bis 300 °C, zu dem geschmolzenen Ausgangsmaterial aufgeschmolzen .

[32] Eine „Extruderdüse" ist insbesondere ein technisches Bauteil der Vorrichtung zur Beeinflussung des geschmolzenen Ausgangsmaterials beim Übertritt von einer Rohrströmung in den freien Raum beim Schmelzschichtauftrag. Durch die Extruderdüse wird insbesondere das zähflüssige, geschmolzene Ausgangsmaterial geformt. Die Extruderdüse weist auf ihrer gesamten Länge insbesondere eine gleiche Querschnittsfläche auf oder verjüngt sich hin zur Extruderdüsenöffnung als Auslass zum Austritt des geschmolzenen Ausgangsmaterials aus der Extruderdüse. Die Extruderdüse kann sich zur Austrittsöffnung hin auch aufweiten. Die Extruderdüse weist insbesondere eine Extruderdüsenöffnung als Auslass mit einem Durchmesser in einem Bereich von 0,1 bis 12,0 mm, bevorzugt von 0,5 bis 2,5 mm, auf. Hierbei hängt der verwendete Durchmesser insbesondere auch von den Eigenschaften des Ausgangsmaterials ab. An der Extruderdüse kann beispielsweise ein Druck in einem Bereich von 5 kPa bis zu l,5xl0 8 Pa und/oder eine Temperatur von 40 °C bis 1400 °C vorliegen.

[33] Bei einem „Kühlmittel" handelt es sich insbesondere um einen gasförmigen, flüssigen und/oder festen Stoff oder Stoffgemische, welcher oder welche zum Abtransport von Wärme eingesetzt wird oder werden. Mittels des Kühlmittels wird das Filament und/oder das geschmolzene Ausgangsmaterial als Kühlgut insbesondere direkt gekühlt. Als Kühlmittel können beispielsweise Wasser, flüssige Metalle, Öl Alkohol, Trockeneis, Luft und/oder ein Inertgas, Kohlenstoffdioxid und/oder Kältemittel eingesetzt werden. Prinzipiell kann als Kühlmittel jedes Fluid verwendet werden, beispielsweise eine Flüssigkeit wie Wasser oder ein Gas. Bevorzugt wird direkt die Umgebungsluft oder gekühlte Luft eingesetzt. Insbesondere bei oxidationsempfindlichen Polymeren und Metallen kann auch die Verwendung eines Inert- oder Schutzgases vorteilhaft sein, um eine chemische Reaktion des Filamentmaterials mit dem Gas zu verhindern.

[34] Eine „Einlasseinrichtung" (auch „Einlass" genannt) ist insbesondere eine Einrichtung und/oder ein Bauteil zum Einbringen des Kühlmittels an das zu kühlende Filament. Die Einlasseinrichtung kann beispielsweise eine Bohrung oder mehrere Bohrungen durch die Kanalwand der Vorrichtung aufweisen, um das Kühlmittel durch diese Bohrung oder die mehreren Bohrungen direkt auf die Oberfläche des Filamentes zu bringen. Ebenso kann es sich bei der Einlasseinrichtung um eine Düse handeln, durch welche das Kühlmittel auf das Filament, insbesondere das Filament im Vorschubbereich, im Übergangsbereich und/oder im Schmelzbereich, gerichtet ist. Die Einlasseinrichtung kann auch als Filamenteinlass ausgestaltet sein, durch welchen das Kühlmittel direkt auf das Filament aufgebracht wird. Des Weiteren kann die Einlasseinrichtung als ein Raum um das Filament ausgebildet sein, welcher mittels des Kühlmittels gekühlt und durchströmt ist oder wird. Bei einer Einlasseinrichtung kann es sich auch um ein Bauteil der Vorrichtung handeln, welches gezielt mittels des Kühlmittels gekühlt wird. Beispielsweise können gleichzeitig die Schienen der FilamentZuführung und das Filament direkt mit dem Kühlmittel gekühlt werden, wobei über die gleichzeitige direkte Kühlung der Schienen, welche das Filament führen, dem Filament zusätzlich Wärme durch die gekühlten Schienen entzogen wird.

[35] Bei einer „Auslasseinrichtung" (auch „Auslass" genannt) handelt es sich insbesondere um eine Einrichtung oder ein Bauteil, durch welche das Kühlmittel aus der Vorrichtung und/oder vom Filament weggebracht wird. Bei der Auslasseinrichtung kann es sich ebenfalls um eine Bohrung oder mehrere Bohrungen in der Wand der Vorrichtung, eine Düse, ein Ventil oder auch einen Ventilator zum Abführen des erwärmten Kühlmittels handeln. Bei der Auslasseinrichtung kann es sich in einer einfachen Ausführung auch lediglich um die Umgebungsluft um das Filament und/oder die Vorrichtung handeln, in welche das erwärmte Kühlmittel abgegeben wird.

[36] Unter „direkt auf eine Oberfläche gerichtet" wird ein physikalisches Berühren des Kühlmittels mit dem Filament und/oder dem geschmolzenen Ausgangsmaterial und somit ein direkter Kontakt verstanden. Bei diesem direkten Kontakt liegt das Kühlmittel insbesondere direkt an der Oberfläche, insbesondere Außenoberfläche, des Filamentes und/oder des geschmolzenen Ausgangsmaterials an. Das direkte Richten auf die Oberfläche kann insbesondere aus jeglicher Raumrichtung erfolgen, so dass das Kühlmittel beispielsweise entlang der Längsrichtung, quer oder schräg zur Längsrichtung des Filamentes strömt.

[37] In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine zweite Einlasseinrichtung, eine dritte Einlasseinrichtung, eine vierte Einlasseinrichtung und/oder weitere Einlasseinrichtungen zum Einbringen des Kühlmittels und/oder eine zweite Auslasseinrichtung, eine dritte Auslasseinrichtung, eine vierte Auslasseinrichtung und/oder weitere Auslasseinrichtungen zum Ausbringen des Kühlmittels auf.

[38] Folglich ist durch Anordnung des Einlasses oder der Einlässe zum Einbringen des Kühlmittels in den Filamentzufuhrbereich und des Auslasses oder der Auslässe zum Ausbringen des Kühlmittels aus dem Zufuhrbereich die Wegstrecke des Kühlmittels entlang des Filaments im Vorschubbereich festgelegt.

[39] Hauptsächlich über den Abstand des Einlasses oder der Einlässe und des Auslasses oder der Auslässe zu der Heizung im Schmelzbereich, die Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsrichtung und Einlasskühlmitteltemperatur sowie den Volumenstrom des Kühlmittels wird somit die Länge des Übergangsbereiches in Vorschubrichtung festgelegt.

[40] Somit kann durch die Anzahl und die Position des Einlasses oder der Einlässe und/oder des Auslasses oder der Auslässe für das Kühlmittel gezielt eine Länge der Kühlung entlang der Längsrichtung des Filamentes sowie eine Stärke der Kühlung und somit des Wärmeentzuges vom Filament und/oder des geschmolzenen Ausgangsmaterials eingestellt werden. [41] Bei einer zweiten Einlasseinrichtung, einer dritten Einlasseinrichtung, einer vierten Einlasseinrichtung und/oder weiteren Einlasseinrichtungen handelt es sich in der Ausführungsform und Funktion um eine oben definierte Einlasseinrichtung .

[42] Bei einer zweiten Auslasseinrichtung, bei einer dritten Auslasseinrichtung, einer vierten Auslasseinrichtung und/oder bei weiteren Auslasseinrichtungen handelt es sich in der Ausführung und der Funktion um eine oben definierte Auslasseinrichtung .

[43] Um eine gesamte Oberfläche des Filamentes auf einer definierten Länge zu kühlen, kann die Vorrichtung einen Spalt zwischen einer inneren Wand der Vorrichtung und dem Filament aufweisen, sodass das Kühlmittel durch den Spalt von der Einlasseinrichtung oder von den Einlasseinrichtungen zu der Auslasseinrichtung oder zu den Auslasseinrichtungen strömbar ist.

[44] Ein „Spalt" ist insbesondere ein Freiraum zwischen einer inneren Wand der Vorrichtung und der Außenoberfläche des Filamentes. Der Spalt weist insbesondere ein Spaltmaß als Abstand zwischen der Oberfläche des Filamentes und der Innenseite der Innenwand der Vorrichtung. Im Falle einer zylinderförmigen Vorrichtung und/oder eines zylinderförmigen Extrusionskanals ist der Spalt insbesondere radial umlaufend und über eine gewisse Länge der Vorrichtung und somit des Filamentes ausgerichtet.

[45] Beispielsweise strömt das Kühlmittel vom Einlassbereich des Extruders in einen Spalt zwischen einer Zufuhrkanalwand und dem Filament entlang des Vorschubbereiches in Richtung des Schmelzbereichs und verlässt den Spalt durch radiale Auslässe direkt vor dem Schmelzbereich. Dadurch liegt im Filament nur ein sehr kurzer Übergangsbereich mit einem großen Temperaturgradienten in Vorschubrichtung annähernd auf die Temperatur des Schmelzbereiches vor. Folglich wird ein kürzerer Übergangsbereich mit einem größeren Temperaturgradienten gegenüber dem Stand der Technik realisiert .

[46] In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung sind die Einlasseinrichtung oder die Einlasseinrichtungen zum Einbringen des Kühlmittels am Filamenteinlass und/oder am Vorschubbereich und die Auslasseinrichtung oder die Auslasseinrichtungen zum Ausbringen des Kühlmittels am Übergangsbereich und/oder Schmelzbereich angeordnet oder umgekehrt.

[47] Somit kann entsprechend der Materialeigenschaften und AufSchmelzeigenschaften des Filamentes gezielt ein Temperaturprofil vom Vorschubbereich über den Übergangsbereich bis zum Schmelzbereich eingestellt und ein optimales Aufschmelzen des Ausgangsmaterials des Filamentes erzielt werden. Das Einbringen des Kühlmittels bereits am Filamenteinlass und/oder am Vorschubbereich ist insbesondere vorteilhaft, wenn es sich um ein Filament mit einem leicht aufschmelzbaren Ausgangsmaterial handelt, sodass durch das frühzeitige Kühlen ein zu starkes vorzeitiges Schmelzen und radiales Aufweiten des Filamentes und/oder starkes Anhaften desselben an einer das Filament im Vorschubbereich umgebende Wandung verhindert wird, sodass dieses optimal bis zum Aufschmelzen im Schmelzbereich vorgeschoben werden kann.

[48] Um einen hohen Temperaturgradienten auf einer geringen Länge der Vorrichtung und somit des Filamentes in Vorschubrichtung zu realisieren, sind die Einlasseinrichtung oder die Einlasseinrichtungen zum Einbringen des Kühlmittels nach dem Vorschubbereich an einem Anfang des Übergangsbereiches und die Auslasseinrichtung oder die Auslasseinrichtungen an einem Ende des Übergangsbereiches vor dem Schmelzbereich angeordnet.

[49] Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für relativ schwer aufschmelzbare Ausgangsmaterialien, sodass diese über den Vorschubbereich aufgrund ihrer Materialeigenschaft selbst stabil bleiben und keine Kühlung zum optimalen Vorschieben benötigen.

[50] In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung sind die Einlasseinrichtung oder die Einlasseinrichtungen und die Auslasseinrichtung oder die Auslasseinrichtungen derart angeordnet, dass das Kühlmittel in einem Gleichstrom, einem Gegenstrom oder einem Kreuzstrom zur Vorschubrichtung des Filamentes führbar ist.

[51] Neben einem Gleichstrom, bei dem das Vorschieben des Filamentes in der gleichen Richtung wie die Strömungsrichtung des Kühlmittels erfolgt, kann selbstverständlich die Strömungsrichtung des Kühlmittels auch entgegen der Vorschubrichtung des Filamentes ausgeführt sein, indem die Einlässe für das Kühlmittel direkt vor dem Schmelzbereich angeordnet sind und der Auslass am Filamenteinlass des Extruders liegt. Dadurch trifft das gerade erst zugeführte, kalte Kühlmittel auf das bereits ein wenig aufgeheizte und vorgeschobene Filament. Folglich wird durch diese Ausführungsform ein Gegenstrom realisiert.

[52] Auch können der Einlass oder die Einlässe und der Auslass oder die Auslässe des Kühlmittels beide direkt jeweils am Anfang oder am Ende des Übergangsbereiches zwischen dem Vorschubbereich und Schmelzbereich angeordnet sein. Der Einlass oder die Einlässe und der Auslass oder die Auslässe können auch in Vorschubrichtung auf gleicher Höhe angeordnet sein und das Filament derart im Übergangsbereich und/oder dessen Nähe im Kreuzstromprinzip kühlen.

[53] Bei einem „Gleichstrom" bewegt sich das Kühlmittel insbesondere entlang des Filamentes in die gleiche Richtung, in die auch das Filament vorgeschoben wird.

[54] Bei einem „Gegenstrom" ist insbesondere die Strömungsrichtung des Kühlmittels entgegengesetzt zur Vorschubrichtung des Filamentes.

[55] Bei einem „Kreuzstrom" bewegt sich das Kühlmittel quer oder im Wesentlichen quer zur Vorschubrichtung des Filamentes. Bei dem Kreuzstrom fließt das Kühlmittel insbesondere um einen Umfang des Filamentes herum.

[56] Um einen optimalen Wärmeentzug des Filamentes zu erreichen und Kühlmittelverluste zu minimieren, weist die Vorrichtung am Filamenteinlass und/oder an der Extrusionsdüse eine Schleuse zum Verhindern eines Austretens des Kühlmittels auf. [57] Dadurch wird mittels der Schleuse das Kühlmittel im Innenraum der Vorrichtung gehalten und ein unerwünschter Austritt des Kühlmittels aus der Vorrichtung verhindert, so dass das Kühlmittel nur definiert über die Auslasseinrichtung oder die Auslasseinrichtungen abgeführt wird.

[58] Eine „Schleuse" ist insbesondere ein Bauteil der Vorrichtung, welches einen unerwünschten Austritt des Kühlmittels aus der Vorrichtung verhindert. Hierzu bewirkt die Schleuse beispielsweise eine mechanische Verhinderung des Durchströmens und/oder Abströmens des Kühlmittels. Bei einer Schleuse kann es sich beispielsweise um eine Dichtung, Lippe oder ein sonstiges Trennelement handeln.

[59] In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung als Kühlmittel eine Flüssigkeit und/oder ein Gas, insbesondere ein Inert- und/oder Schutzgas, auf.

[60] Ein „Schutzgas" ist insbesondere ein Gas oder Gasgemisch, welches die Aufgabe hat, die Luft und/oder den Sauerstoff der Luft vom Ausgangsmaterial fernzuhalten. Ein Schutzgas ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Ausgangsmaterial leicht mit dem Luftsauerstoff reagiert. Bei einem Schutzgas kann es sich beispielsweise um Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff handeln.

[61] Ein „Inertgas" ist insbesondere ein Gas, welches sehr reaktionsträge und somit inert ist und keine oder nur sehr wenige chemische Reaktionen eingeht. Bei einem Inertgas kann es sich beispielsweise um Stickstoff oder Edelgase, wie Helium, Neon, Argon, Krypton und/oder Xenon, oder gasförmige Molekularverbindungen, wie Schwefelhexafluorid, handeln.

[62] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen 3-D-Drucker zum 3-D-Drucken mittels Schmelzschichtauftrag auf einer Bauplattform, wobei der 3- D-Drucker mindestens eine zuvor beschrieben Vorrichtung zum Schmelzen und Extrudieren eines Filamentes für einen Schmelzschichtauftrag aufweist.

[63] Folglich wird ein 3-D-Drucker bereitgestellt, welcher durch die optimale direkte Kühlung des Filaments im Vorschubbereich der Vorrichtung und somit eines höheren Materialvolumenstroms beim Aufbringen der Schmelzschichten eine höhere Druckgeschwindigkeit aufweist.

[64] Zudem ist durch die direkte Filamentkühlung eine raumsparende, sehr lange und dünne Ausgestaltung des Extruders möglich, sodass der 3-D-Drucker eine kleinere Baugröße oder in einfacher Weise mehrere Extruder aufweisen kann.

[65] In einer weiteren Ausführungsform weist der 3-D-Drucker eine neigbare Bauplattform auf.

[66] Durch die raumsparende, sehr lange und dünne Ausgestaltung des Extruders, kann dieser optimal in einem 3- D-Drucker mit einer neig- und/oder schwenkbaren Bauplattform eingesetzt werden. Folglich können auf bereits aufgetragene, gedruckte naheliegende Schichten in einem sehr geringen radialen Abstand zum Extruder weitere Schmelzschichten mit einem stark abweichenden Winkel im Raum aufgetragen werden. Somit können die beim Schichtauftrag entstehenden seitlichen Einkerbungen aufgrund der Materialübergänge zwischen den Schichten ausgeglichen werden, indem durch eine Drehung der Bauplattform um einen Winkel von beispielsweise 90° der Extrusionsrichtungsachse zu einer bereits gefertigten Bauteilwand und den Auftrag von mindestens einer weiteren Schicht horizontal zu den senkrechten Einkerbungen diese mit ebenem aufgetragenen Material ausgefüllt und vergleichmäßigt werden. Neben der Optimierung der Erscheinungsform durch das Glätten von Bauteilwänden kann durch den Auftrag von einer oder mehreren Schichten in verschiedenen Winkeln zur Bauplattform innerhalb und/oder an einem Bauteil auch die Zug- oder Druckfestigkeit in bestimmten Belastungsrichtungen bedeutend gesteigert werden.

[67] Zudem kann durch eine neig- und/oder schwenkbare Bauplattform auch ein negativer Überhang zwischen bereits horizontal gedruckten Teilen und einem senkrecht gedruckten Teil ohne Verwendung einer Stützstruktur aufgetragen werden.

[68] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine stark schematische Schnittdarstellung eines Schmelzdispensers mit direkter Kühlung und einem Vorschubbereich, Übergangsbereich und Schmelzbereich in einer Vorschubrichtung und eine schematische Darstellung eines Verlaufs der Temperatur über eine Wegstrecke entlang dieser Bereiche, Figur 2 eine stark schematische Schnittdarstellung eines Schmelzeextruders bei einem Schichtauftrag bei senkrechter Bauplattform auf zuvor aufgetragene Schichten bei horizontaler Bauplattform,

Figur 3 eine Darstellung eines Keramikextruders zum Schmelzen und Extrudieren eines Glasstabes,

Figur 4 eine stark schematische Schnittdarstellung einer Alternative des Schmelzdispensers aus Figur 1 mit Kühlfluideinlässen und Kühlfluidauslässen im Kreuzstrom, und

Figur 5 eine stark schematische Schnittdarstellung eines weiteren Schmelzdispensers mit einer Kühlmitteleinlassdüse.

[69] Ein rohrförmiger Schmelzdispenser 101 weist eine Kanalwand 103 und eine Filamentzufuhr 109 zum Zuführen eines Filamentes 111 auf (Fig. 1). Am entgegengesetzten Ende ist eine Extrusionsdüse 105 zum Extrudieren von Schmelze 113 angeordnet. Zum Aufschmelzen des festen Filamentes 111 in einem Übergangsbereich 125 und einem Schmelzbereich 127 ist außen an der Kanalwand 103 des Schmelzdispenser 101 umlaufend eine Heizung 107 angeordnet. Das Filament 111 wird kontinuierlich in einer Vorschubrichtung 129 durch das Innere des Schmelzdispensers 101 geschoben und passiert dabei einen kalten Vorschubbereich 123, einen anschließenden Übergangsbereich 125 und den Schmelzbereich 127, bevor das Filament 111 als Schmelze 113 aufgeschmolzen durch die Extrusionsdüse 105 extrudiert wird.

[70] Ein Durchmesser des Filamentes 111 im Bereich der Filamentzufuhr 109 und des kalten Vorschubbereichs 123 ist geringer als ein Innendurchmesser des rohrförmigen Schmelzdispensers 101, sodass zwischen dem Filament 111 und der Kanalwand 103 radial umlaufend und entlang des kalten Vorschubbereichs 123 bis zum Übergangsbereich 125 ein Spalt 119 vorliegt. Vom Kühlfluideinlass 115 bis zu den Kühlfluidauslässen 117 wird der Spalt 119 kontinuierlich mit einer Strömung 121 eines Kühlfluides im Gleichstrom durchströmt. Hierbei sind die radial angeordneten Kühlfluidauslässe 117 nach dem kalten Vorschubbereich 123 in Vorschubrichtung 129 am Anfang des Übergangsbereiches 125 angeordnet. Als Kühlfluid wird kühle Umgebungsluft verwendet, welche somit direkt an einer äußeren Oberfläche des festen Filamentes 111 während dessen Vorschiebens in Vorschubrichtung 129 entlangströmt. Dementsprechend bleibt eine Temperatur 131 des Filamentes 111 im Bereich der Filamentzufuhr 109 und in dem kalten Vorschubbereich 123 annähernd konstant und es findet nur ein sehr geringer Temperaturanstieg im kalten Vorschubbereich 123 kurz vor dem Übergangsbereich 125 statt.

[71] Aufgrund der kontinuierlichen Erwärmung mittels der Heizung 107 im Schmelzbereich 127 beginnt das Filament 111 im Übergangsbereich 125 aufzuschmelzen und es tritt ein schneller Temperaturanstieg mit einem hohen Temperaturgradienten im Übergangsbereich 125 annähernd bis auf eine konstante Schmelztemperatur im Schmelzbereich 127 auf. Im Schmelzbereich 127 ist die Temperatur 131 über eine Wegstrecke 133 wiederum annähernd konstant und lediglich am Ende des Schmelzbereiches 127 tritt aufgrund einer Abkühlung durch die Extrusionsdüse 105 beim Extrudieren der Schmelze 113 eine geringe Abnahme der Temperatur auf.

[72] Als festes Filament 111 wird ein Polyamidstab eingesetzt, welcher aufgrund der direkten optimalen Kühlung im kalten Vorschubbereich 123 ohne Anhaften an der Kanalwand 103 in Vorschubrichtung 129 vorgeschoben wird, bis die Kühlung aufgrund der Anordnung der Kühlfluidauslässe 117 am Anfang des Übergangsbereiches 125 endet und das Filament 111 entlang der sehr kurzen Wegstrecke 133 des Übergangsbereichs 125 in kürzester Zeit auf die Schmelztemperatur erwärmt, als Schmelze 113 in Form von geschmolzenem Polyamid optimal mittels der Extrusionsdüse 105 extrudiert und für einen Schmelzschichtauftrag verwendet wird.

[73] In einer Alternative der Erfindung weist ein Schmelzeextruder 201 eine Kanalwand 203, eine Filamentzufuhr 209 mit einer Vorschubrichtung 229 zum Vorschieben eines Filamentes 211 aus ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol- Copolymere) auf (Fig. 2). Nach einem kalten Vorschubbereich 223 schließt sich ein Übergangsbereich 225 an, in dem in der Kanalwand 203 radial mehrere Kühlfluidauslässe 217 angeordnet sind. Zwischen der Kanalwand 203 und dem Filament 211 ist ein Spalt 219 angeordnet, welcher bis zu den Kühlfluidauslässe 217 geführt ist. Anschließend folgt ein Schmelzbereich 227, wobei im Schmelzbereich 227 zum kontinuierlichen Aufschmelzen des Filamentes 211 außen um die Kanalwand 203 eine Heizung 207 angeordnet ist. Die Schmelze 213 wird aufgrund der kontinuierlichen Vorschubbewegung des festen Filamentes 211 durch eine Extrusionsdüse 205 zum Aufträgen von Schichten extrudiert.

[74] Eine Bauplattform 235 wurde zunächst horizontal ausgerichtet und bei vertikaler Ausrichtung des Schmelzeextruders 201 wurden mehrere Schichten 237 für ein horizontal gedrucktes Teil 243 aufgetragen. Anschließend wurde die Bauplattform 235 um 90° in eine senkrechte Ausrichtung, wie in Figur 2 gezeigt, gedreht und der Schmelzeschichtauftrag auf den bereits horizontal gedruckten Teil 243 fortgesetzt und durch Aufträgen der Schichten 239 das senkrecht gedruckte Teil 245 aufgebaut.

[75] Aufgrund der direkten Kühlung innerhalb des Spaltes 219 des Schmelzeextruders 201 mittels eines Kühlfluides, ist der Schmelzeextruder 201 bei großer Länge mit einem geringen Durchmesser ausgeführt, sodass ein Abstand 247 zwischen dem horizontal gedruckten Teil 234 und dem Schmelzeextruder 201 sehr gering mit ca. einer Dicke des Schichtauftrages ist. Somit ist der Schmelzeextruder 201 sehr nahe an dem zuvor bereits horizontal gedruckten Teil 243 heranführbar.

[76] Zudem ist es mit dem Schmelzeextruder 201 möglich, aufgrund einer Neigung der Bauplattform 235 einen negativen Überhang 241 zwischen dem bereits horizontal gedruckten Teil 243 und dem senkrecht gedruckten Teil 245 ohne Verwendung einer Stützstruktur zu fertigen.

[77] Des Weiteren werden Kerben, welche zwischen den aufgetragenen Schichten 237 bei horizontaler Bauplattform 235 entstanden sind, durch Drehen der Bauplattform 235 in senkrechte Ausrichtung und dem nachfolgenden Aufträgen weiterer Schichten 239 bei senkrechter Bauplattform 235 beseitigt, sodass Kerbspannungen herabgesetzt und dadurch die Zugfestigkeit des bereits bei horizontal ausgerichteter Bauplattform 235 gedruckten Teils 243 senkrecht zu den bereits aufgetragenen Schichten 237 gesteigert wird.

[78] Folglich ist durch einen sehr geringen Durchmesser des Schmelzeextruders 201 quer zu seiner Längsrichtung und somit der Vorschubrichtung 229 eine große Bewegungsfreiheit des Schmelzeextruders 201 während des Schmelzeauftrags und folglich die Fertigung von sehr komplexen, festen Bauteilen ermöglicht.

[79] Somit ist der Schmelzeextruder 201 optimal in einem 3- D-Drucker mit neigbarer Bauplattform 235 einsetzbar.

[80] In einer weiteren Alternative der Erfindung weist ein Keramikextruder 301 ein Keramikrohr 302 auf (Fig. 3). In dem Keramikrohr 302 wird in Vorschubrichtung 329 ein Glasstab 311 als Filament kontinuierlich vorgeschoben. Über einen seitlichen Kühlfluideinlass 315 wird ein Kühlfluid im Inneren des Keramikrohres durch einen Spalt 319 zwischen einer Wand des Keramikrohrs 302 und dem Glasstab 311 eingeströmt. Das Kühlfluid verlässt kontinuierlich nach Passieren des Spaltes 319 entlang eines kalten Vorschubbereichs 323 über mehrere radial angeordnete Kühlfluidauslässe 317 eines Übergangsbereiches 325 den Keramikextruder 301.

[81] Anschließend ist ein Schmelzebereich 327 mit einer außen am Keramikrohr 302 angeordneten Heizung 307 zum Aufschmelzen des Glasstabes 311 zu einer Glasschmelze angeordnet, wobei letztere über eine Extrusionsdüse 305 den Keramikextruder 301 verlässt. Zum Verhindern eines Austretens von Kühlfluid weist der Keramikextruder 301 0- Ringe 304 und einen Dichtungsring 312 zum Abdichten des Kühlfluideinlasses 315 gegenüber dem Glasstab 311 und dem Keramikrohr 302 auf. Unterhalb der O-Ringe 304 wird das Kühlfluid in den Spalt 319 zwischen dem Glasstab 311 und dem Keramikrohr 302 eingeleitet.

[82] Somit kann mittels des Keramikextruders 301 Glas als hochschmelzendes Material direkt für einen Schichtauftrag bereitgestellt werden, ohne dass eine zusätzliche Einrichtung, wie beispielsweise ein Laser, oder zusätzliche Zusatzstoffe, wie beispielsweise ein Binder mit nachgelagertem Brennprozess, verwendet werden müssen.

[83] In einer Alternative des in Figur 1 gezeigten Schmelzdispensers 101 weist der Schmelzdispenser 101 im kalten Vorschubbereich 123 mehrere quer verlaufende Kühlfluideinlässe 115 und Kühlfluidauslässe 117 auf, welche jeweils als Bohrung ausgeführt und radial über den Umfang verteilt in der Kanalwand 103 angeordnet sind (Fig. 4). Hierbei ist der jeweilige Kühlfluideinlass 115 und der zugehörige Kühlfluidauslass 117 jeweils abwechselnd von einer in Figur 4 gezeigten rechten zur linken Seite oder umgekehrt geführt, sodass jeweils eine Strömung des Kühlfluids 121 quer zu einer Vorschubrichtung 129 wechselseitig ausgerichtet ist. Somit wird in dieser Ausführungsform eine Kühlung des Filamentes 111 durch die Strömung des Kühlfluids 121 im Kreuzstrom zur Vorschubrichtung 129 des Filamentes 111 realisiert. Ansonsten ist der Schmelzdispenser 101 wie oben beschrieben aufgebaut und wird analog betrieben.

[84] In einer weiteren alternativen Ausführungsform des Schmelzdispensers 101 ist das Filament 111 bis zu einem Schmelzbereich 127 freiliegend und erst im Schmelzbereich 127 der Heizung 107 und der anschließenden Extrusionsdüse 105 liegt eine Kanalwand 103 des Schmelzdispensers 101 direkt an dem Filament 111 an (Fig. 5).

[85] An einem Halter 139 ist sowohl über die Heizung 107 die Extrusionsdüse 105 befestigt, als auch eine Kühlmitteleinlassdüse 135. Die Kühlmitteleinlassdüse 135 mit einem Kühlfluideinlass 115 ist mittels eines Zuführschlauches 137 verbunden, durch welchen Stickstoff als Kühlmittel eingeblasen wird. Mittels der Kühlmitteleinlassdüse 135 wird der Stickstoff im Kreuzstrom auf das Filament 111 quer zu dessen Vorschubrichtung 129 gerichtet, wobei der Stickstoff beidseitig die Oberfläche des Filamentes 111 umströmt. Während der Kühlfluideinlass 115 hier durch die Kühlmitteleinlassdüse 135 realisiert wird, erfolgt der Kühlfluidauslass durch die Vermischung des Stickstoffes als Kühlmittel mit der Umgebungsluft.

[86] Prinzipiell ist ein 3-D-Drucker auch mit mehreren der vorliegend beschriebenen Dispensern ausstattbar, welche verschiedene Materialien gleichzeitig oder in verschiedenen Schritten nacheinander additiv auftragen, sodass Bauteile in Multimaterialbauweise herstellbar sind. Bezugszeichenliste

101 Schmelzdispenser

103 Kanalwand

105 Extrusionsdüse

107 Heizung

109 Filamentzufuhr

111 Filament

113 Schmelze

115 Kühlfluideinlass

117 Kühlfluidauslass

119 Spalt

121 Strömung des Kühlfluids

123 Kalter Vorschubbereich

125 Übergangsbereich

127 Schmelzbereich

129 Vorschubrichtung

131 Temperatur

133 Wegstrecke

135 Kühlmitteleinlassdüse

137 Zuführschlauch

139 Halter

201 Schmelzeextruder

203 Kanalwand

205 Extrusionsdüse

207 Heizung

209 Filamentzufuhr

211 Filament

213 Schmelze 215 Kühlfluideinlass

217 Kühlfluidauslass 219 Spalt

223 Kalter Vorschubbereich 225 Übergangsbereich 227 Schmelzbereich 229 Vorschubrichtung 235 Bauplattform

237 aufgetragene Schichten bei horizontaler Bauplattform 239 aufgetragene Schichten bei senkrechter Bauplattform 241 negativer Überhang

243 bei horizontal ausgerichteter Bauplattform gedrucktes Bauteil

245 bei senkrecht ausgerichteter Bauplattform gedrucktes Bauteil

247 Abstand zwischen bei horizontal ausgerichteter Bauplattform gedrucktem Bauteil und dem Schmelzeextruder

301 Keramikextruder

302 Keramikrohr

304 O-Ringe

305 Extrusionsdüse 307 Heizung

311 Glasstab

312 Dichtring

313 Glasschmelze 315 Kühlfluideinlass 317 Kühlfluidauslass 319 Spalt

323 Kalter Schubbereich Übergangsbereich Schmelzbereich Vorschubrichtung