Filament-Drucker für schnelles 3D-Drucken von Kunststoff-Bauteilen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren und die zugehörige Vorrichtung zur additiven Fertigung von Kunststoff-Bauteilen mit im Vergleich zu kommerziellen 3D-Druckern und 3D-Druckverfahren deutlich erhöhter Druckgeschwindigkeit.

• Hoher, konstanter Masseausstoß für schnelles 3D-Drucken
• Homogene Erwärmung unterstützt durch zusätzliche Reibungswärme innerhalb der Schnecke
• Kein extra Vortrieb für das Filament notwendig
• Für thermoplastische Kunststoffe bzw. Filamenttypen geeignet
• Ideal für großflächig Bauteile
• Installation auf Roboterarm möglich, wodurch lagenunabhängiges Drucken ermöglicht wird
• Maximale Aufschmelzleistung durch eine genutete Plastifizierzone und eine Barriereschnecke und somit hohe Energieeffizienz

Die hohe Ausstoßleistung und kompakte Bauweise sind hochinteressant für den 3D-Druck insbesondere von großformatigen Strukturen.

Die additive Fertigung ermöglicht die werkzeugfreie Herstellung von Kunststoff-Bauteilen, wobei beliebige Formen und eine große Auswahl an druckbaren Kunststoffen eingesetzt werden können. Jedoch ist der serienmäßige Gebrauch des 3D-Drucks in der Produktion großer Stückzahlen oder bei der Herstellung großflächiger Bauteile durch die niedrige Verarbeitungsgeschwindigkeit beim Druckprozess limitiert. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann nun die Druckgeschwindigkeit deutlich erhöht werden.

Um den 3D-Druck schneller zu machen und auch größere Prototypen drucken zu können, existiert nach dem Stand der Technik kein Extrudersystem, das eine ausreichende Massedurchsatzleistung bei maximaler Aufschmelzeffektivität bietet.

Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben ein neuartiges Verfahren sowie eine Vorrichtung entwickelt, um die oben beschriebenen Limitierungen zu überwinden. Erfindungsgemäß wurde hierbei ein neuartiger Miniextruder mit einem Ausstoßbereich von 0,5–5 kg/h entwickelt (im Vergleich zu sonst üblichen Ausstoßleistungen von Filamentextrudern von etwa 10–100 g/h), der ein thermoplastisches Filament durch eine drehende Extruderschnecke direkt verarbeitet, ohne dass das Filament hierbei zerkleinert wird. Die Förderung des unaufgeschmolzenen Filaments erfolgt alleine durch die Drehung der Extruderschnecke. Das Aufschmelzen des Filaments erfolgt unmittelbar vor der Strangablage im endständigen Aufschmelzbereich des Extruders. Hierbei wird das Aufschmelzen durch die innerhalb der Schnecke entstehende Reibungswärme unterstützt, so dass eine homogene Schmelze erreicht werden kann. Für den Einsatz in einem 3D-Drucker wird dadurch ein sehr präzises Drucken ermöglicht. Des Weiteren ist durch die hohe Ausstoßleistung des Materials aus dem Extruder ein im Vergleich zu bekannten Lösungen sehr schnelles Drucken möglich, was erhebliche Kosteneinsparungen mit sich bringt. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist das lageunabhängige Drucken, so dass der Extruder auch auf einen Roboterarm oder Ähnliches installiert werden kann. Der neuartige Filament-Drucker eignet sich vor allem für großflächige Bauteile, die schnell und kostengünstig hergestellt werden sollen.

P. Thieleke und C. Bonten, Entwicklung eines neuartigen Extruders zur Verarbeitung eines Filaments für den roboterbasierten 3D-Druck, 26. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 2019.

P. Thieleke und C. Bonten, Die andere Art von Filamentextruder: Neuartiger Extruder verarbeitet ein Filament und ist dadurch für die roboterbasierte additive Fertigung einsatzfähig, In: Kunststoffe 05/2019.