AT527625B1 - Extrusionskopf für die additive Fertigung eines Formkörpers - Google Patents
Extrusionskopf für die additive Fertigung eines FormkörpersInfo
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Abstract
Es wird ein Extrusionskopf für die additive Fertigung eines Formkörpers mit einem in einer Extrusionsdüse (4) mündenden, einen Extrusionskanal (3) bildenden Rohrkörper (5) aus einem ferromagnetischen Werkstoff und mit einer den Rohrkörper (5) umschließenden Induktionsspule (6) beschrieben. Um einen Polymerstrang schonend aufschmelzen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Induktionsspule (6) nach Art einer Helmholtz-Spule mit wenigstens zwei in einem axialen Abstand voneinander angeordneten Spulenabschnitten (8, 9) ausgebildet ist.
Description
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Extrusionskopf für die additive Fertigung eines Formkörpers mit einem in einer Extrusionsdüse mündenden, einen Extrusionskanal bildenden Rohrkörper aus einem ferromagnetischen Werkstoff und mit einer den Rohrkörper umschließenden Induktionsspule.
[0002] Um die für das Aufschmelzen eines thermoplastischen Polymerstrangs in einem Extrusionskopf benötigte Wärmeenergie vorteilhaft zur Verfügung stellen zu können, ist es bekannt (US 2020/0061896 A1), anstelle der üblichen elektrischen Widerstandsheizung eine elektrische Induktionsheizung vorzusehen. Zu diesem Zweck sind ein einen Extrusionskanal zum Aufschmelzen des Polymerstrangs bildender, in einer Extrusionsdüse zum Austragen des Schmelzestrangs mündender Rohrkörper aus einem ferromagnetischen Werkstoff und eine den Rohrkörper umschließende Induktionsspule vorgesehen. Der induktiv erwärmte Rohrkörper gibt seine Wärme an den thermoplastischen Polymerstrang ab, der während seiner Förderung durch den Extrusionskanal aufgeschmolzen wird, um als Schmelzestrang aus der den Extrusionskanal abschließBenden Extrusionsdüse ausgetragen zu werden. Nachteilig ist allerdings, dass aufgrund der gegen die axiale Mitte der Induktionsspule zunehmenden Dichte des magnetischen Flusses und des damit einhergehenden ungleichmäßigen Wärmeeintrags in den Polymerstrang die Gefahr besteht, dass der Polymerstrang im Bereich der Spulenmitte überhitzt wird, insbesondere bei den für höhere Druckgeschwindigkeiten geforderten Heizleistungen.
[0003] Um für das Aufschmelzen eines thermoplastischen Polymerstrangs den Wärmeeintrag entsprechend einem vorgegebenen Temperaturprofil entlang des Extrusionskanals steuern zu können, ist es bekannt (WO 2016/102669 A1), den Extrusionskanal aus einzelnen voneinander elektrisch isolierten Rohrabschnitten axial zusammenzusetzen, denen jeweils ein Spulenabschnitt einer Induktionsspule zugeordnet wird. Durch die Anzahl und Dichte der Windungen der einzelnen Spulenabschnitte wird die in jedem Rohrabschnitt verfügbare Heizleistung vorgegeben. Wegen des schrittweisen, für jeden Rohrabschnitt gesonderten Wärmeeintrags spielt die im Bereich jedes Spulenabschnitts ungleichmäßige Erwärmung des zugehörigen Rohrabschnitts eine untergeordnete Rolle. Der konstruktive Aufwand ist allerdings erheblich.
[0004] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein schonendes Aufschmelzen des thermoplastischen Polymerstrangs in einem Extrusionskopf für die additive Fertigung eines Formkörpers mit vergleichsweise einfachen konstruktiven Mitteln zu ermöglichen.
[0005] Ausgehend von einem Extrusionskopf der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Induktionsspule nach Art einer Helmholtz-Spule mit wenigstens zwei in einem axialen Abstand voneinander angeordneten Spulenabschnitten ausgebildet ist.
[0006] Da das Magnetfeld zwischen den Spulenabschnitten einer Helmholtz-Spule weitgehend homogen ist, können beim Einsatz einer Induktionsspule nach Art einer Helmholtz-Spule im Rohrkörper des Extrusionskanals über dessen beheizte Länge entsprechend verteilte Wirbelströme mit der Wirkung induziert werden, dass über die Länge des Rohrkörpers ein weitgehend gleichmäßiger Wärmeeintrag in den aufzuschmelzenden Polymerstrang erreicht wird, sodass aufgrund einer weitgehend gleichmäßigen Erwärmung entlang des Extrusionskanals vorteilhafte Voraussetzungen für ein schonendes Aufschmelzen des Polymerstrangs geschaffen werden können.
[0007] Die Länge des Rohrkörpers hängt einerseits von der Heizleistung und anderseits von der Druckgeschwindigkeit ab und kann daher auch für unterschiedliche Anwendungsfälle unterschiedlich ausfallen. Dies bedeutet für die Ausbildung der Induktionsspule nach Art einer Helmholtz-Spule, dass für längere Rohrkörper auch drei oder in Sonderfällen auch mehr als drei Spulenabschnitte zum Einsatz kommen können, um entlang des Rohrkörpers ein entsprechendes Magnetfeld unter vorteilhaften Konstruktionsbedingungen bereitstellen zu können.
[0008] Um die Wärmeverluste gering zu halten, kann die Induktionsspule auf einer wärmedämmenden Trägerhülse angeordnet werden. Trotz der Wärmedämmung durch die Trägerhülse
kommt es im Bereich sowohl des zugangsseitigen Endes als auch des düsenseitigen Endes im Vergleich zum dazwischenliegenden Bereich zu einer vermehrten Wärmeabfuhr. Zum Ausgleich der über die Länge des Rohrkörpers unterschiedlichen Wärmeverluste können die beiden Spulenabschnitte einen größeren axialen Abstand als den bei einer Helmholtz-Spule üblichen halben Spulendurchmesser aufweisen, sodass sich die Dichte des magnetischen Flusses im Bereich zwischen den beiden Spulenabschnitten verringert, was dazu führt, dass trotz der höheren Wärmeverluste in den Endbereichen des Rohrkörpers ein weitgehend gleichmäßiger Wärmeeintrag in den Polymerstrang entlang des beheizten Abschnitts des Rohrkörpers erreicht wird.
[0009] Da im Bereich des zugangsseitigen Endes des Rohrkörpers aufgrund der Kühlung des den Rohrkörper aufnehmenden Trägers mit einer gegenüber der Wärmeableitung im Bereich des düsenseitigen Endes erhöhten Wärmeableitung zu rechnen ist, kann zum Ausgleich dieser höheren Wärmeableitung der dem zugangsseitigen Ende des Rohrkörpers zugeordnete Spulenabschnitt eine größere Windungsanzahl als der düsenseitige Spulenabschnitt aufweisen, sodass im Bereich des zugangsseitigen Endes des Rohrkörpers eine im Vergleich zum düsenseitigen Ende größere Wärmemenge in den Polymerstrang eingetragen werden kann.
[0010] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
[0011] Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Extrusionskopf ausschnittsweise im Bereich der induktiven Heizung in einer schematischen Seitenansicht und
[0012] Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie Il-Il der Fig. 1.
[0013] In der Zeichnung ist von dem zum Einsatz kommenden Extrusionskopf lediglich der Bereich schematisch dargestellt, der für das Aufschmelzen des zugeführten thermoplastischen PoIymerstrangs vorgesehen ist. Dieser Polymerstrang, der zur additiven Fertigung eines Formkörpers als Schmelze schichtweise aufgebracht wird, wird durch einen Förderkanal 1 eines Trägers 2 einem den Förderkanal 1 fortsetzenden Extrusionskanal 3 zugeführt, der in einer Extrusionsdüse 4 mündet, um entlang des Extrusionskanals 3 aufgeschmolzen und als Schmelzestrang aus der Extrusionsdüse 4 ausgetragen zu werden.
[0014] Zu diesem Zweck ist eine induktive Heizeinrichtung vorgesehen, die einen den Extrusionskanal 3 bildenden Rohrkörper 5 aus einem ferromagnetischen Werkstoff und eine den Rohrkörper 5 mit radialem Abstand umschließende Induktionsspule 6 umfasst. Der den Rohrkörper 5 aufnehmende Träger 2 bildet vorzugsweise einen mit Kühlrippen 7 versehenen Kühlkörper auf Aluminium- oder Kupferbasis, in den der Rohrkörper 5 beispielsweise eingeschraubt wird.
[0015] Die Induktionsspule 6 ist nach Art einer Helmholtz-Spule mit zwei in einem axialen Abstand voneinander angeordneten Spulenabschnitten 8, 9 ausgebildet, die auf einer gemeinsamen, wärmedämmenden Trägerhülse 10 angeordnet sind. Wird die Induktionsspule mit Wechselstrom beaufschlagt, so überlagern sich die magnetischen Felder dieser Spulenabschnitte 8, 9 mit der Wirkung, dass aufgrund dieser Überlagerung die Flussdichte im Bereich zwischen den beiden Spulenabschnitten 8, 9 in Abhängigkeit vom gegenseitigen Abstand der beiden Spulenabschnitte, sodass zur weitgehenden Angleichung der Flussdichte über die beheizte Länge des Rohrkörpers 5 die Flussdichte im Bereich zwischen den beiden Spulenabschnitten angehoben wird. Dies bedeutet, dass ein über die beheizte Länge des Rohrkörpers 5 vergleichmäßigter Wärmeeintrag in den Polymerstrang als Voraussetzung für ein schonendes Aufschmelzen des Polymerstrangs möglich wird.
[0016] Die wärmedämmende Trägerhülse 10 für die Induktionsspule 6 unterbindet zwar eine Wärmeabstrahlung vom erwärmten Rohrkörper 5 nach außen, kann jedoch eine Wärmeabfuhr in den Endbereichen des Rohrkörpers 5 nicht verhindern. Um diese Wärmeverluste ausgleichen zu können, müssten daher diese Endbereiche mit einer höheren Wärmeenergie als der dazwischenliegende Abschnitt des Rohrkörpers 5 beaufschlagt werden. Zu diesem Zweck kann der gegenseitige axiale Abstand zwischen den beiden Spulenabschnitten 8, 9 vergrößert werden, was zu einer Verminderung der magnetischen Flussdichte im Zwischenbereich zwischen den Spulenabschnitten 8, 9 und damit zu einer Verringerung der im Rohrkörper 5 induzierten Wirbelströme führt, sodass der Rohrkörper 5 in diesem Zwischenbereich weniger als in den Endbereichen er-
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SS
wärmt wird, um einen weitgehend gleichmäßigen Wärmeeintrag in den während seiner Förderung durch den Extrusionskanal 3 aufzuschmelzenden Polymerstrang sicherzustellen.
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Claims (3)
1. Extrusionskopf für die additive Fertigung eines Formkörpers mit einem in einer Extrusionsdüse (4) mündenden, einen Extrusionskanal (3) bildenden Rohrkörper (5) aus einem ferromagnetischen Werkstoff und mit einer den Rohrkörper (5) umschließenden Induktionsspule (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (6) nach Art einer Helmholtz-Spule mit wenigstens zwei in einem axialen Abstand voneinander angeordneten Spulenabschnitten (8, 9) ausgebildet ist.
2. Extrusionskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (6) auf einer wärmedämmenden Trägerhülse (10) angeordnet ist und dass die beiden Spulenabschnitte (8, 9) einen größeren axialen Abstand als den halben Spulendurchmesser aufweisen.
3. Extrusionskopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dem zugangsseitigen Ende des Rohrkörpers (5) zugeordnete Spulenabschnitt (8) eine größere Windungsanzahl als der düsenseitige Spulenabschnitt (9) aufweist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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