Druckerzeugungseinheit

Beschreibung

Bezug zu verwandten Anmeldungen

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2011 119 337.9, hinterlegt am 25.11.2011 , deren Offenbarungsgehalt hier- mit ausdrücklich auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes mit einer Druckerzeugungseinheit nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Stand der Technik Aus der dem Oberbegriff des Anspruches 1 zugrundeliegenden DE 103 18 958 B3 ist es für einen Antrieb einer Spritzgießeinheit an einer Spritzgießmaschine bekannt, den Axialbewegungsmotor unmittelbar an die Förderschnecke anzuschließen und den die Rotation der Förderschnecke bewirkenden Dosiermotor aus Sicht der Plasti- fiziereinheit hinter dem Axialbewegungsmotor. Die Verbindung zwischen einer den Axialbewegungsmotor durchgreifenden Spindel und dem Rotor des Dosiermotors erfolgt drehfest, aber axial beweglich über Vielzahnverbindungen. (so auch WO 2007/134961 A1 , US 7,270,532 B2, DE 43 44 335 A1 ) Die Lage des Axialbewe- gungsmotors zum Dosiermotor ändert sich beim Betrieb der Spritzgießeinheit nicht. Ergänzend weist die US 2006/0093694 A1 bei einem mit der DE 103 18 958 B3 vergleichbaren Aufbau ein Blockiermittel 29 nach Art einer Kupplung auf, die beim Auftreten einer bestimmten Kraft nur noch einen unidirektionalen Betrieb des Axialbe- wegungsmotors gestattet.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Aus der EP 1 886 793 A1 oder der DE 10 2009 030 099 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, in der eine in der Spritzgießtechnik bekannte Plastifiziereinheit an einen unter Druck setzbaren Materialspeicher für die Erzeugung einer fluiden Phase eines Mate- rials angekoppelt wird. Der Materialspeicher ist Bestandteil einer Austragseinheit zum Austragen aufeinander folgender Tropfen zum werkzeuglosen Aufbau eines dreidimensionalen Gegenstandes auf einem Objektträger. Aufgrund der Adhäsionskräfte des Materials ist dafür ein hoher Druck und sind meist auch hohe Temperaturen erforderlich. Gleichzeitig sollen die so gefertigten Teile für Stückzahl eins und kleine Losgrößen wie zum Beispiel Musterteile präzise aus hochviskosen fluiden Materialien wie aufgeschmolzenen Kunststoffen in kleinsten Mengen in diskreten einzelnen Portionen bis hinunter zu wenigen Mikrogramm hergestellt werden, so dass das Material mit geringen Geschwindigkeiten zu fördern ist. Für die Erzeugung der Tropfen stehen 50 bis 100 MPa (500 bis 1000 bar) an der Austrittsöffnung der Austragseinheit an. Dies liegt unter anderem an dem sogenannten laminaren Quellfluss, den das Material in der fluiden Phase aufweist. In den Quellfluss geht unter anderem die Anlagerung der Schmelze an der Wandung ein. Dies wird am deutlichsten bei einem Blick in die Erkenntnisse in der Spritzgießtech- nik. Bei der Formfüllung eines einfachen, rechteckigen Kanals wird die die Schmelze über einen sogenannten Angusspunkt eingespritzt und beginnt sich von diesem Punkt mit geschlossenen Fließfronten kreisförmig auszubreiten, bis sie die gesamte Breite der Kavität ausfüllt. Einige Zeit danach kann der Bereich zwischen dem Ein- lauf und der Fließfront als nahezu ausgebildet betrachtet werden. An der Fließfront selbst herrscht jedoch eine besondere Strömungssituation, der„Quellfluss", da die Stromlinien in diesem Bereich wie eine Quelle erscheinen, wenn man sie in Bezug auf ein mitbewegtes Koordinatensystem betrachtet.

Der laminare Quellfluss ist für die Erzeugung von auf den herzustellenden Gegen- stand .ausgerichteten' Tropfen auf Grund seiner laminaren Ausbildung einerseits von Vorteil, andererseits bestehen vor allem bei der Ausbildung kleiner Tropfen genau hier die Probleme, die eine Umsetzung mit aus der Spritzgießtechnik bekannten Einrichtungen und Materialien erschweren. Die Wandhaftung führt dazu, dass sich die Massen nur schwer zu Tropfen mit gewünschtem kleinen Volumen, vorzugsweise im Bereich kleiner gleich 1 mm ³ ausbilden lassen, andererseits ist eine entsprechend hohe Viskosität des Materials gerade für die Ausbildung einer geeigneten Tropfenform eines Tropfens von Bedeutung.

Dies unterscheidet die verwendeten Materialien auch von den vorbekannten Wachsen. Aufgrund ihrer Viskosität lassen sich Wachse im normalen Thermodruck- oder Inkjetverfahren ausbringen, also durch reines kinematisches, druckloses Beschleunigen ohne Druckdifferenz des aufgeschmolzenen Tropfens. Die hier verwendeten Materialien unterscheiden sich hiervon bereits dadurch, dass ihre Viskositätszahl um eine bis mehrere Zehnerpotenzen höher ist. So liegt die dynamische Viskositätszahl des verfestigbaren Materials zwischen 100 und 10000 [Pa s], wobei vorzugsweise das verfestigbare Material ein in der Spritzgießtechnik üblicher Kunststoff oder ein Harz ist. Dies macht die Verarbeitung aus einem unter Druck setzbaren Material- Speicher und damit auch die Verwendung einer gesonderten Druckerzeugungseinheit erforderlich, da Drücke von mehr als 50 bis 100 MPa (500 bis 1000 bar) ohne weiteres erforderlich sind, insbesondere wenn zur Erzielung kleiner Tropfenvolumen kleine Austragsöffnungen eingesetzt werden. Vorzugsweise liegt das gewünschte Volumen des Tropfens insbesondere im Bereich von 0,01 bis 1 mm ³ . Der Durchmesser der Austrittsöffnung beträgt vorzugsweise etwa 0,1 mm. Bei einer durchaus üblichen Einspritzgeschwindigkeit von 100 [cm/s], die durch einen sogenannten Punktanguss mit 0,1 [mm] Durchmesser die Masse fördert, ergibt sich mit Volumenstrom durch Fläche ein Wert von 10.000 [m/s]. Dies führt für die fluide Phase zu einem laminaren Quellfluss mit Fließgeschwindigkeiten bis zu 10.000 m/s.

Vergleichbare Verfahren, die weitläufig unter dem Begriff Prototyping und Rapid Ma- nufacturing bekannt sind und zur Herstellung von Musterteilen mit der Anforderung einer sehr kurzzeitigen Bereitstellung vorgesehen sind, haben diese Problematik nicht. Die Herstellung solcher Teile beruht werkzeuglos, d.h. ohne Formwerkzeuge, und zwar in den meisten Fällen auch auf der Erzeugung der Geometrie aus 3D- Daten, jedoch werden diese Geometrien durch entsprechende Mittel wie Aufschmel- zen von Pulverschichten durch Wärmeintrag, z.B. mittels Laser, generative Systeme wie Druckverfahren in unterschiedlicher verbindender Form der Pulverteile oder auch im sogenannten Schmelzstrangverfahren hergestellt. Die Präzision dieser Verfahren wird durch den Druck im System entweder gar nicht oder im Schmelzstrangverfahren in geringem Maße beeinflusst, allerdings findet dort kein diskontinuierliches Herstellen des dreidimensionalen Gegenstandes statt.

Offenbarung der Erfindung Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für die Bereitstellung hoher Kräfte bei geringen Geschwindigkeiten bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Vorrichtung weist dazu die Aufbereitungseinheit zur Bereitstellung und ggf. Aufbereitung des verfestigbaren Materials und die Druckerzeugungseinheit auf, wobei Tropfen über eine Austragseinheit ausgetragen werden. Die Druckerzeugungseinheit umfasst einen Rotationsmotor und einen Axialbewegungsmotor zur Bewegung eines Fördermittels, wobei aus Sicht der Austragseinheit der Rotationsmotor hinter dem Axialbewegungsmotor angeordnet ist, der die Drücke aufbringt und insofern näher an der Plastifiziereinheit und dem Materialspeicher angeordnet ist als der Rotationsmotor. Der Axialbewegungsmotor kann damit gut gelagert größer ausgebildet wer- den und gleichzeitig den Rotationsmotor quasi im Rücken tragen, der durch die im Verhältnis zur Spritzgießtechnik geringen Geschwindigkeiten weniger belastet ist. Die Druckerzeugungseinheit kann damit einerseits konstant den Druck durch Vorwärtsbewegung eines vorzugsweise als Förderschnecke ausgebildeten Fördermittels erzeugen und andererseits den Kunststoff durch Rotation der Förderschnecke zur Schmelze aufbereiten. Der Rotor des Dosiermotors ist mit der Spindel des Einspritzmotors fest verbunden, die wiederum lösbar mit der Förderschnecke verbunden ist. Diese Spindel steht innerhalb des Axialbewegungsmotors mit dem Rotor des Axialbewegungsmotors in Verbindung. Um die erforderlichen zyklischen Bewegun- gen der Förderschnecke und die Rotationsbewegung des Dosiermotors miteinander zu verkoppeln, ist der relativ zum Axialbewegungsmotor axial beweglich gelagert Dosiermotor in einer Drehrichtung durch einen Freilauf blockierbar. Es ergibt sich kompakt System, so dass die Einflüsse der hohen Drücke auch im System selbst gering sind. Dabei können in der Spritzgießtechnik übliche und damit günstige Materialien verwendet werden, da keine besonderen Prototyping-Materialien erforderlich sind.

Vorzugsweise besteht die Druckerzeugungseinheit aus einem Axialbewegungsmo- tor, der als Hohlwellenmotor mit innenliegender Gewindespindel ausgebildet ist, durch den die Förderschnecke axial bewegt wird. Die Rotation der Förderschnecke erfolgt über einen gesonderten Dosiermotor, der im Zusammenwirken mit dem Axialbewegungsmotor und der Regelung des Staudrucks das plastifizierte Material zur Verfügung stellt. Die Schneckenbewegung erfolgt ausschließlich innerhalb des Sys- tems, was die präzise Tropfenaustragung und damit eine hohe reproduzierbare Bauteilgenauigkeit unterstützt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

Kurzbeschreibung der Figuren

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes in dreidimensionaler Ansicht

Fig 2 einen Längsschnitt durch die Druckerzeugungseinheit,

Fig 3 einen Längsschnitt durch Druckerzeugungseinheit und Plastifizierein- heit.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele Die Erfindung wird jetzt beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Allerdings handelt es sich bei den Ausführungsbeispielen nur um Beispiele, die nicht das erfinderische Konzept auf eine bestimmte Anordnung beschränken sollen. Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzu- weisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.

Die Figuren zeigen eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes 50 aus verfestigbarem Material, das entweder im Ausgangszustand in einer fluiden Phase vorliegt oder verflüssigt werden kann. Die Herstellung des Gegenstandes erfolgt vorzugsweise durch sequenzielles Austragen von Tropfen 70. Dazu können z.B. einzelne Tropfen 70 sequenziell aus einer Austrittsöffnung 12b einer Austragseinheit 12 ausgetragen werden, so dass sich Schicht für Schicht der Gegenstand 50 auf einem in den Koordinatenrichtungen des Raumes beweglichen Objektträgers 13 ergibt. Der Objektträger 13 ist an einer Lagerung 40 relativ zur Aus- trittsöffnung 12b der Austragseinheit beweglich geführt.

Das verfestigbare Material ist ein plastifiziertes Material, wie z.B. Silikon oder ein plastifizierbares Material, wie Kunststoff oder auch pulverförmige Materialien, wobei es im Wesentlichen darauf ankommt, dass das verfestigbare Material entweder im Ausgangszustand in einer fluiden Phase vorliegt oder verflüssigt werden kann. Das Material kann auch ein unter Wärme reversibel aufschmelzbares und damit recyc- lebares Material sein. Beliebige andere Materialien können verwendet werden, sofern diese Materialien durch die Vorrichtung plastifizierbar und vor allem durch die wenigstens eine Austragseinheit 12 austragbar sind. Mit der Vorrichtung können vor allem aber auch Materialien verarbeitet werden, wie sie üblicherweise in der Spritzgießtechnik in großen Mengen eingesetzt werden, was zur günstigen Herstellung der damit herzustellenden Gegenstände beiträgt. Die Vorrichtung weist wenigstens eine Aufbereitungseinheit zur Aufbereitung des verfestigbaren Materials in die fluide Phase und zu dessen Bereitstellung - insbesondere wenn das Material bereits flüssig vorliegt, aber eventuell noch in diesem Zustand zu halten ist - auf, die im Ausführungsbeispiel durch eine in der Spritzgießtechnik bekannte Plastifiziereinheit 11 gebildet ist. Diese Plastifiziereinheit ist im Ausführungsbeispiel unmittelbar an einen unter Druck setzbaren Materialspeicher 12c in der Austragseinheit 12 gekoppelt, der gemäß Fig. 3 auch nur als Kanal ausgebildet sein kann. Bedarfsweise ist auch eine mittelbare Kopplung möglich, sofern dafür Sorge getragen wird, dass die hohen Drücke in geeigneter Weise beherrscht werden. Die Austragseinheit 12 dient zum Austragen des verfestigbaren Materials durch eine vorzugsweise taktbare Austrittsöffnung 12b in Richtung auf den herzustellenden dreidimensionalen Gegenstand 50 bzw. den zugehörigen Objektträger 13. Wenigstens eine Druckerzeugungseinheit 60 erzeugt den Druck auf die fluide Phase im Materialspeicher 12c, der insbesondere bei der tropfenweisen Ausbringung des Materials erforderlich ist, damit sich die entsprechenden Tropfen, besser gesagt Tröpfchen ausbilden können. Grundsätzlich eignet sich die Vorrichtung aber zur Ausbringung von Material bei hohen Kräften mit geringer Geschwindigkeit. Aus- tragseinheit 12 und Druckerzeugungseinheit 60 sind vorzugsweise über die Plastifiziereinheit 11 miteinander verbunden. Sie bilden ein System, in dem bzw. innerhalb dessen der Druck auf die fluide Phase aufgebracht wird. Austragseinheit 12 und Lagerung 40 sind feststehend miteinander verbunden. Die Druckerzeugungseinheit 60 ist an der Austragseinheit 12 angeschlossen und gegenüber dieser Verbindung be- weglich gelagert. Damit wird die dem Grunde nach größere Einheit, nämlich die Druckerzeugungseinheit 60 beweglich gegenüber der kleineren, entsprechend starr ausgebildeten Einheit aus Austragseinheit 12 und Lagerung 40 für den Objektträger 13 gelagert. So wird trotz hoher Drücke und ggf. hoher Temperaturen eine Präzision im Bereich der Austragung der Tropfen 70 gewährleistet.

Vorzugsweise sind Austragseinheit 2 und Lagerung 40 stationär auf einem Maschinentisch 15 angeordnet, der vorzugsweise steif ausgebildet ist, um auch an dieser Stelle die Bewegungen so gering wie möglich zu halten. Gemäß Fig. 1 und 3 ist der Axialbewegungsmotor 10 der Druckerzeugungseinheit über die Abstützung 25 auf dem Maschinentisch 15 vorzugsweise beweglich, nämlich entlang des Maschinentisches axial beweglich abgestützt, während die Austragseinheit 12 über die Abstützung 28 auf dem Maschinentisch 15 abgestützt ist. Am Maschinentisch 15 ist dann wiederum die Lagerung 40 für den Koordinatentisch des Objektträgers 13 feststehend befestigt, so dass sich über den Maschinentisch 15 eine starre Verbindung zwischen Lagerung 40 und Austragseinheit 12 ergibt.

Die Druckerzeugungseinheit 60 weist einen Rotationsmotor, den elektromechani- sehen Dosiermotor 14, und einen Axialbewegungsmotor 10 zur Bewegung eines Fördermittels auf, wobei das Fördermittel vorzugsweise eine in der Plastifiziereinheit 11 aufgenommene Förderschnecke 26 ist. Gemäß Fig. 3 ist aus Sicht der Austragseinheit 12 der Dosiermotor 14 hinter dem Axialbewegungsmotor 10 angeordnet. Diese Anordnung wurde gewählt, da durch den Axialbewegungsmotor hohe Kräfte im Bereich von regelmäßig zwischen 50 und 100 MPa aufgebracht werden müssen. Durch die gewählte Anordnung können diese Kräfte auf kürzestem Weg auf die Austragseinheit 12 bzw. den in ihr angeordneten Materialspeicher 12c aufgebracht werden. Die Druckerzeugungseinheit 60 bewirkt einerseits eine konstante Druckerzeugung durch Vorwärtsbewegung des Fördermittels bzw. der Förderschnecke 26, an- dererseits wird im Zusammenwirken zwischen Förderschnecke 26 und Plastifiziereinheit 11 durch Rotation der Förderschnecke in der Plastifiziereinheit der Kunststoff bedarfsweise zur Schmelze aufbereitet.

Die Axialbewegung der Förderschnecke 26 wird durch den Axialbewegungsmotor erzeugt, der einen Stator 20 und einen hohlen Rotor 21 zum Antrieb einer den Rotor durchgreifenden Spindel 16 aufweist. Die Spindel 16 des Spindelantriebes steht mit einer Mutter in Wirkverbindung. Die Rotation der Förderschnecke 26 erfolgt durch einen gesonderten Antriebsmotor 18 des Dosiermotors 14, der gleichzeitig mit dem Axialbewegungsmotor und der Regelung des Staudrucks zur Herstellung des Ge- genstandes eingesetzt wird. Die Achsen des Antriebsmotors 18 des Dosiermotors 14 und des Axialbewegungsmotors 10 fluchten miteinander. Die Spindel 16 des Axialbewegungsmotors 10 ist mit einem Rotor 22 des Antriebsmotors 18 fest und mit dem Fördermittel bzw. der Förderschnecke 26 lösbar verbunden. Um den Betrieb der beiden Motoren unabhängig voneinander zu gewährleisten ist insofern der Dosiermotor 14 durch einen in einem Gehäuse 18a des Antriebsmotors 18 gelagerten Freilauf 19 in einer Drehrichtung blockierbar. Das Gehäuse 18a des Antriebsmotors 18 ist zum Drehmomentgegenhalt des Freilaufs über eine Drehmomentstütze 27 am Gehäuse 23 bzw. dem Gehäusedeckel 23a des Axialbewegungsmotors 10 gelagert. Der Axialbewegungsmotor 10 ist durch einen Hohlwellenmotor gebildet, der von der Spindel 16 durchgriffen ist. Die Mutter des Spindelantriebs des Axialbewegungsmotors 10 ist im Rotor 21 des Axialbewegungsmotors gelagert oder wie im Ausfüh- rungsbespiel gemäß Fig. 2 durch den Rotor 21 gebildet. Im Ausführungsbeispiel stehen zudem der Rotor 21 und die Spindel 16 über Planeten 17 miteinander in Wirk- Verbindung.

Gemäß Fig. 3 ist die Förderschnecke 26 am vorderen Ende der Spindel 16, d.h. in Fig. 3 auf der linken Seite des Axialbewegungsmotors über eine Schneckenkupplung 29 lösbar befestigt.

Bei der Druckerzeugung und der Bereitstellung des plastifizierbaren Materials arbeitet die Vorrichtung wie folgt:

Im Ausführungsbeispiel wird die Axialbewegung der Förderschnecke 26 gemäß Fig. 3 durch die Spindel 16 des Axialbewegungsmotors 10 mit rotativ angetriebenen Ro- tor 21 erzeugt, der zugleich die Mutter des Spindelantriebs bildet. Die Übertragung vom Rotor 21 auf die Spindel 16 erfolgt unter Zwischenschaltung der Planeten 17. Die Spindel kann eine Axialkraft nur erzeugen, wenn sie entsprechend ihrer Spindelübersetzung eine Drehmomentgegenkraft erfährt. Diese Drehmomentgegenkraft wird in der Hauptkraftrichtung, also bei Bewegung der Förderschnecke 26 in Fig. 3 nach links durch den Dosiermotor 14 gebildet, der über eine Drehmomentstütze 27 am Gehäuse 23 für den Axialbewegungsmotor 10 abgestützt ist. Die Drehmomentstütze 27 bildet Führungen aus, entlang derer der Dosiermotor 14 bei Bewegung des Fördermittels axial beweglich gelagert ist. Für die Schneckenrückwärtsbewegung wird die Drehmomentgegenkraft durch entsprechend geregeltes aktives Bestromen zur Verfügung gestellt. Durch die feste Verbindung der Spindel 16 des Axialbewe- gungsmotors 10 mit dem Rotor 22 des Antriebsmotors 18 führt die Drehbewegung des Dosiermotors grundsätzlich auch zu einer Drehbewegung der Spindel 16 und umgekehrt. Die Spindel 16 kann die Drehung in eine Linearbewegung umsetzen, wenn entsprechend ihrer Spindelsteigung einer der gewünschten Vorschubkraft entsprechende Drehmomentabstützung vorgesehen ist. Für diese Drehmomentabstüt- zung ist für den Aufbau des Drucks, d.h. für die Bewegung der Förderschnecke 26 in Fig. 3 nach links ein Freilauf 19 in den Antriebsmotor 18 des Dosiermotors 14 inte- griert, während für die Rückzugsrichtung der Förderschnecke 26 aktiv mit dem Dosiermotor 14 gearbeitet wird. Um die Bewegung des Axialbewegungsmotors vom Dosiermotor 14 zu entkoppeln, ist der Freilauf vorgesehen, der den Dosiermotor 14 in einer Drehrichtung blockiert bzw. blockieren kann, also ein unidirektionales Drehverhinderungsmittel. Der Freilauf 19 ist am Gehäuse 18a des Antriebsmotors 18 des Dosiermotors 14 gelagert. Diese Lagerung ist ihrerseits wiederum über die Drehmomentstütze 27 am Gehäuse 23 bzw. dem Gehäusedeckel 23a des Axialbewegungsmotors 10 gelagert.

Es versteht sich von selbst, dass diese Beschreibung verschiedensten Modifikatio- nen, Änderungen und Anpassungen unterworfen werden kann, die sich im Bereich von Äquivalenten zu den anhängenden Ansprüchen bewegen.

Bezugszeichenliste

10 Axialbewegungsmotor

11 Plastifiziereinheit

12 Austragseinheit

12b Austrittsöffnung

12c Materialspeicher

13 Objektträger

14 Dosiermotor

15 Maschinentisch

16 Spindel

17 Planeten

18 Antriebsmotor

18a Gehäuse

19 Freilauf

20 Stator von 10

21 Rotor von 10

22 Rotor von 18

23 Gehäuse von 10

23a Gehäusedeckel

24 Materialbehälter

25 Abstützung für 10

26 Förderschnecke

27 Drehmomentstütze

28 Abstützung für 12

29 Schneckenkupplung

40 Lagerung

50 Gegenstand

60 Druckerzeugungseinheit

70 Tropfen