AT527166A1 - Extrusionskopf für die additive Fertigung eines Formkörpers - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Extrusionskopf für die additive Fertigung eines Formkörpers mit einem in einer Extrusionsdüse (3) mündenden, einen ferromagnetischen Mantel (2) bildenden Rohrkörper (1) und mit wenigstens einer den ferromagnetischen Mantel (2) des Rohrkörpers (1) in einer Schmelzzone (4) umschließenden Induktionsspule (10, 11) beschrieben. Um vorteilhafte Erwärmungsbedingungen zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass der ferromagnetische Mantel (2) zumindest in einem axialen Abschnitt (5, 7) der Schmelzzone (4) eine sich über den Mantelumfang wiederholt alternierend ändernde Manteldicke aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Extrusionskopf für die additive Fertigung eines Formkörpers mit einem in einer Extrusionsdüse mündenden, einen ferromagnetischen Mantel bildenden Rohrkörper und mit wenigstens einer den ferromagnetischen Mantel des Rohrkörpers in einer Schmelzzone umschließenden
Induktionsspule.
Um die für das Aufschmelzen eines einem Extrusionskopf zugeführten thermoplastischen Polymerstrangs benötigte Wärmeenergie vorteilhaft zur Verfügung stellen zu können, ist es bekannt, anstelle der üblichen elektrischen Widerstandsheizung eine elektrische Induktionsheizung vorzusehen. Diese elektrische Induktionsheizung umfasst einen im Extrusionskopf vorgesehenen, den aufzuschmelzenden Polymerstrang aufnehmenden Rohrkörper und wenigstens eine den ferromagnetischen Mantel des Rohrkörpers umschließende Induktionsspule, die im ferromagnetischen Mantel des Rohrkörpers Wirbelströme induziert. Der durch die Wirbelströme erwärmte ferromagnetische Mantel gibt seine Wärme an den durch den Rohrkörper geführten, thermoplastischen Polymerstrang ab, der somit während seiner Förderung durch den Rohrkörper erwärmt und aufgeschmolzen wird, um als Schmelzestrang aus der den Rohrkörper abschließenden Extrusionsdüse ausgetragen zu werden. Die zum Einsatz kommenden, thermoplastischen Polymerstränge für die additive Fertigung von Formkörpern sind allerdings empfindlich gegenüber einer Überhitzung, sodass ein
von der Art des Polymerstrangs abhängiger Temperaturverlauf angestrebt wird.
Zu diesem Zweck ist es bekannt (WO 2016/102 669 A1), den Mantel des
Rohrkörpers aus mehreren ferromagnetischen Hülsen unter Zwischenlage
erkauft.
Um den Steuerungsaufwand für mehrere Induktionsspulen zu vermeiden, ist es bei Extrusionsköpfen für die additive Fertigung von Formkörpern darüber hinaus bekannt (EP 3 148 293 A1), den ferromagnetischen Mantel des den Polymerstrang aufnehmenden Rohrkörpers in mehrere axiale Mantelabschnitte zu unterteilen, die eine unterschiedliche Curie-Temperatur aufweisen, sodass diese Mantelabschnitte nur bis zu der Curie-Temperatur induktiv erwärmt werden können. Abgesehen davon, dass für den Aufbau des Rohrkörpers axiale Mantelabschnitte aus unterschiedlichen ferromagnetischen Werkstoffen erforderlich sind, ergibt sich der Nachteil, dass für die induktive Heizung ein den Leistungsbedarf übersteigendes
Leistungsangebot bereitgestellt werden muss.
Zum verbesserten Wärmeeintrag in den aufzuschmelzenden Polymerstrang ist es bei Extrusionsköpfen mit einer elektrischen Widerstandsheizung außerdem bekannt (WO 2017/183992 A1), in dem den Polymerstrang aufnehmenden Rohrkörper eine Wärmeleiteinrichtung in Form eines sich vom Mantel des Rohrkörpers gegen die Rohrmitte hin erstreckenden Wärmeleitkörpers vorzusehen, um den Polymerstrang nicht nur von außen über den wärmeleitenden Mantel des Rohrkörpers, sondern zusätzlich über den Wärmeleitkörper auch in einem Kernbereich erwärmen zu können. Nachteilig bei der durch die elektrische Widerstandsheizung bedingten Wärmeübertragung von einem Heizblock auf den Mantel des Rohrkörpers und auf den Wärmeleitkörper ist, dass der Wärmeeintrag in den Polymerstrang einerseits von dem für den Wärmefluss zur Verfügung stehenden Querschnitt des wärmeleitenden Werkstoffs und anderseits von der Länge des Wärmeflusses
zwischen dem Heizblock und dem Polymerstrang abhängt, sodass ein für den
werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Extrusionskopf für die additive Fertigung eines Formkörpers so auszugestalten, dass das Temperaturprofil entlang der Schmelzzone des Rohrkörpers mit einem vergleichsweise einfachen Konstruktionsaufwand entsprechend dem zu schmelzenden Polymerstrang
weitgehend vorgegeben werden kann.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der ferromagnetische Mantel zumindest in einem axialen Abschnitt der Schmelzzone eine sich über den
Mantelumfang wiederholt alternierend ändernde Manteldicke aufweist.
Durch das Zusammenwirken der sich über den Mantelumfang wiederholt alternierend ändernden Manteldicke und eines mit einer entsprechenden Frequenz durch die Induktionsspule im ferromagnetischen Mantel erregten Magnetfelds kann in vorteilhafter Weise ein Skineffekt genützt werden, demzufolge sich die induzierten Wirbelströme in einem Oberflächenschichtbereich des Mantels konzentrieren, sodass der Mantel im Bereich des axialen Abschnitts des Mantels mit der sich alternierend ändernden Manteldicke im Oberflächenbereich stärker erwärmt wird als in den übrigen axialen Abschnitten mit einer über den Umfang gleichmäßigen Dicke. Mithilfe eines erfindungsgemäß zumindest in einem axialen Abschnitt mit einer alternierenden Manteldicke ausgebildeten ferromagnetischen Mantels lässt sich somit der Wärmeeintrag entlang der Schmelzzone entsprechend einem
vorgegebenen Temperaturprofil steuern.
können.
Da es zur Ausnützung des Skineffekts auf eine über den Umfang des ferromagnetischen Mantels wiederholte alternierende Dickenänderung ankommt, kann der Mantel einen über die Schmelzzone durchgehend kreiszylindrischen Strömungskanal für den aufzuschmelzenden Polymerstrang bilden, sodass die Strömungsbedingungen des Rohrkörpers für den Polymerstrang nicht durch die sich in einem axialen Abschnitt der Schmelzzone über den Umfang alternierend ändernde Manteldicke nachteilig beeinflusst werden können. Bildet der ferromagnetische Mantel jedoch auf seiner Außenseite im Bereich der Schmelzzone einen Kreiszylinder, so ragen die sich zufolge der alternierenden Dickenänderungen ergebenden axialen Rippen radial einwärts, wodurch sich eine Oberflächenvergrößerung und damit eine größere Wärmeübertragungsfläche für
den Polymerstrang ergibt.
Um einem vorgegebenen Verlauf der Wärmeeintragung entlang der Schmelzzone in
einem für den Aufschmelzvorgang ausreichenden Maß folgen zu können, kann der
anpassen.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es
zeigen
Fig. 1 den mit einer induktiven Heizung versehenen Rohrkörper eines erfindungsgemäßen Extrusionskopfs für die additive Fertigung eines Formkörpers in einem Axialschnitt,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Mantel des Rohrkörpers nach der Linie Il-Il der Fig. 1 in einem größeren Maßstab,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie Ill-IIl der Fig. 1 in einem größeren Maßstab,
Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4 in einem größeren Maßstab.
In der Zeichnung ist von einem zum Einsatz kommenden Extrusionskopf für die additive Fertigung eines Formkörpers lediglich der Bereich schematisch dargestellt, der für das Aufschmelzen des zugeführten thermoplastischen Polymerstrangs dient. Dieser thermoplastische Polymerstrang wird durch eine Fördereinrichtung einem in einem Träger gehaltenen Rohrkörper 1 zugeführt, dessen ferromagnetischer Mantel 2 in einer Extrusionsdüse 3 mündet. Der ferromagnetische Mantel 2, der entlang einer Schmelzzone 4 induktiv beheizt wird, weist in zumindest einem axialen Abschnitt 5 eine sich über den Mantelumfang wiederholt alternierend ändernde Manteldicke auf. Aufgrund dieser sich wiederholt ändernden Manteldicke ergeben sich im Abschnitt 5 der Schmelzzone 4 über den Umfang des Mantels 2 verteilt axiale Rippen 6, die gemäß den Fig. 1 bis 3 auf der Innenseite des Mantels 2 des Rohrkörpers 1 verlaufen, gemäß den Fig. 4 und 5 jedoch auch auf der
Mantelaußenseite angeordnet sein können.
Entlang der Schmelzzone 4 ist zumindest ein Abschnitt 5 mit einer sich über den Mantelumfang wiederholt alternierend ändernde Manteldicke vorzusehen. Der Mantel 2 kann aber auch zwei oder mehrere solcher Abschnitte bilden. In der Fig. 1 ist neben dem Abschnitt 5 ein weiterer Abschnitt 7 dargestellt, in dessen Bereich die sich wiederholt alternierend ändernde Manteldicke eine gegenüber dem Abschnitt 5 unterschiedliche Periodenlänge 8 und einen unterschiedlichen Dickenunterschied 9
aufweist, was sich in einem unterschiedlichen Querschnitt der Rippen 6 auswirkt.
Um den Skineffekt in einem Abschnitt 5 mit einer alternierenden Manteldicke unter der Voraussetzung vorteilhaft zu nützen, dass die Periodenlänge 8 der Dickenänderung und der Dickenunterschied vergleichsweise klein ausfallen, wie dies den Fig. 2 und 5 entnommen werden kann, ist für eine entsprechend höhere Erregerfrequenz für das magnetische Erregerfeld zu sorgen, um die Eindringtiefe zu begrenzen. Für eine Ausgestaltung gemäß der Fig. 3, also im Falle vergleichsweise
großer Querschnitte für die sich durch die Dickenunterschiede ergebenden Rippen
um eine höhere Eindringtiefe sicherzustellen.
Wie sich aus der Fig. 1 ergibt, können beim Vorsehen von zwei Abschnitten 5 und 7 mit einer sich über den Mantelumfang wiederholt alternierend ändernden Manteldicke zwei Induktionsspulen 10, 11 vorgesehen werden, die insbesondere hinsichtlich ihrer Erregung auf die beiden in Bezug auf die Dickenunterschiede unterschiedlich gestalteten Abschnitte 5, 7 abgestimmt sind, sich aber konzentrisch über die gesamte Schmelzzone 4 erstrecken. Mit einer abwechselnden Erregung der beiden Induktionsspulen 9, 10 wirken im Mantel 2 entlang der gesamten Schmelzzone 4 abwechselnd magnetische Erregerfelder mit unterschiedlicher Frequenz. Dies bedeutet, dass je nach der Erregerfrequenz in den Abschnitten 5 und 7 aufgrund unterschiedlicher Eindringtiefen unterschiedliche Wirkungen hinsichtlich des Skineffekts mit der Folge auftreten, dass entlang der Abschnitte 5 und 7 unterschiedliche Wärmemengen zur Verfügung gestellt werden können, um für eine Anpassung an einen vorgegebenen Temperaturverlauf entlang der
Schmelzzone 4 zu sorgen.
Weist der Mantel 2 entlang der Schmelzzone 4 lediglich einen Abschnitt 5 mit einer sich über den Mantelumfang wiederholt alternierend ändernden Manteldicke auf, so genügt eine sich über die Länge der Schmelzzone 4 erstreckende Induktionsspule, unabhängig davon, über welchen Bereich der Schmelzzone 4 sich der Abschnitt des Mantels 2 mit einer sich über den Mantelumfang wiederholt alternierend ändernden
Manteldicke erstreckt.

Claims (5)

(345094.3) II Patentansprüche
1. Extrusionskopf für die additive Fertigung eines Formkörpers mit einem in einer Extrusionsdüse (3) mündenden, einen ferromagnetischen Mantel (2) bildenden Rohrkörper (1) und mit wenigstens einer den ferromagnetischen Mantel (2) des Rohrkörpers (1) in einer Schmelzzone (4) umschließenden Induktionsspule (10, 11), dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Mantel (2) zumindest in einem axialen Abschnitt (5, 7) der Schmelzzone (4) eine sich über den
Mantelumfang wiederholt alternierend ändernde Manteldicke aufweist.
2. Extrusionskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (10, 11) mit einer von der Periodenlänge (8) der sich alternierend ändernden Manteldicke und dem Dickenunterschied (9) abhängigen Frequenz
erregbar ist.
3. Extrusionskopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Mantel (2) im Bereich der Schmelzzone (4) eine kreiszylindrische
Außenfläche aufweist.
4. Extrusionskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Mantel (2) im Bereich der Schmelzzone (4) wenigstens zwei in axialer Richtung voneinander beabstandete Abschnitte (5, 7) mit einer sich über den Mantelumfang alternierend ändernden Manteldicke aufweist und dass die Änderungen der Manteldicke in den beiden axialen Abschnitten (5, 7) der
Schmelzzone (4) unterschiedlich sind.
5. Extrusionskopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass den beiden
axialen Abschnitten (5, 7) mit einer sich über den Mantelumfang alternierend
erregbar sind.
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