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AT527166A1 - Extrusion head for the additive manufacturing of a molded body - Google Patents

Extrusion head for the additive manufacturing of a molded body Download PDF

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Publication number
AT527166A1
AT527166A1 ATA50288/2023A AT502882023A AT527166A1 AT 527166 A1 AT527166 A1 AT 527166A1 AT 502882023 A AT502882023 A AT 502882023A AT 527166 A1 AT527166 A1 AT 527166A1
Authority
AT
Austria
Prior art keywords
jacket
ferromagnetic
thickness
melting zone
extrusion head
Prior art date
Application number
ATA50288/2023A
Other languages
German (de)
Inventor
Schreiner Konrad
Spor Stefan
Samhaber Maximilian
Original Assignee
Plasmics Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Plasmics Gmbh filed Critical Plasmics Gmbh
Priority to ATA50288/2023A priority Critical patent/AT527166A1/en
Priority to PCT/AT2024/060152 priority patent/WO2024216315A1/en
Priority to AU2024256284A priority patent/AU2024256284A1/en
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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.An extrusion head for the additive manufacturing of a molded body is described with a tubular body (1) that opens into an extrusion nozzle (3) and forms a ferromagnetic jacket (2), and with at least one induction coil (10, 11) that encloses the ferromagnetic jacket (2) of the tubular body (1) in a melting zone (4). In order to create advantageous heating conditions, it is proposed that the ferromagnetic jacket (2) has a jacket thickness that changes repeatedly and alternately over the jacket circumference, at least in one axial section (5, 7) of the melting zone (4).

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 The invention relates to an extrusion head for the additive manufacturing of a molded body with a tubular body opening into an extrusion nozzle and forming a ferromagnetic shell and with at least one ferromagnetic shell enclosing the ferromagnetic shell of the tubular body in a melting zone.

Induktionsspule. induction coil.

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 In order to be able to advantageously provide the heat energy required for melting a thermoplastic polymer strand fed to an extrusion head, it is known to provide an electrical induction heater instead of the usual electrical resistance heater. This electrical induction heater comprises a tubular body provided in the extrusion head, which receives the polymer strand to be melted, and at least one induction coil enclosing the ferromagnetic jacket of the tubular body, which induces eddy currents in the ferromagnetic jacket of the tubular body. The ferromagnetic jacket heated by the eddy currents gives off its heat to the thermoplastic polymer strand guided through the tubular body, which is thus heated and melted during its conveyance through the tubular body in order to be discharged as a melt strand from the extrusion nozzle closing the tubular body. The thermoplastic polymer strands used for the additive manufacturing of molded bodies are, however, sensitive to overheating, so that a

von der Art des Polymerstrangs abhängiger Temperaturverlauf angestrebt wird. A temperature profile dependent on the type of polymer strand is desired.

Zu diesem Zweck ist es bekannt (WO 2016/102 669 A1), den Mantel des For this purpose it is known (WO 2016/102 669 A1) to coat the

Rohrkörpers aus mehreren ferromagnetischen Hülsen unter Zwischenlage Pipe body made of several ferromagnetic sleeves with intermediate layer

erkauft. he buys.

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 In order to avoid the control effort for several induction coils, it is also known (EP 3 148 293 A1) for extrusion heads for the additive manufacturing of molded bodies to divide the ferromagnetic shell of the tube body that holds the polymer strand into several axial shell sections that have a different Curie temperature, so that these shell sections can only be heated inductively up to the Curie temperature. Apart from the fact that axial shell sections made of different ferromagnetic materials are required for the construction of the tube body, there is the disadvantage that the inductive heating requires a power that exceeds the power requirement.

Leistungsangebot bereitgestellt werden muss. service offering must be provided.

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 For improved heat input into the polymer strand to be melted, it is also known in extrusion heads with an electrical resistance heater (WO 2017/183992 A1) to provide a heat conduction device in the form of a heat conducting body extending from the jacket of the pipe body towards the middle of the pipe in the pipe body receiving the polymer strand, in order to be able to heat the polymer strand not only from the outside via the heat-conducting jacket of the pipe body, but also in a core area via the heat conducting body. The disadvantage of the heat transfer caused by the electrical resistance heating from a heating block to the jacket of the pipe body and to the heat conducting body is that the heat input into the polymer strand depends on the one hand on the cross-section of the heat-conducting material available for the heat flow and on the other hand on the length of the heat flow.

zwischen dem Heizblock und dem Polymerstrang abhängt, sodass ein für den between the heating block and the polymer strand, so that a

werden. become.

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 The invention is therefore based on the object of designing an extrusion head for the additive manufacturing of a molded body in such a way that the temperature profile along the melting zone of the tubular body can be adjusted with a comparatively simple design effort according to the polymer strand to be melted.

weitgehend vorgegeben werden kann. can be largely predetermined.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der ferromagnetische Mantel zumindest in einem axialen Abschnitt der Schmelzzone eine sich über den The invention solves the problem by providing that the ferromagnetic shell has, at least in an axial section of the melting zone, a

Mantelumfang wiederholt alternierend ändernde Manteldicke aufweist. The jacket circumference has a repeatedly alternating changing jacket thickness.

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 Through the interaction of the jacket thickness, which changes repeatedly and alternately over the jacket circumference, and a magnetic field excited at a corresponding frequency by the induction coil in the ferromagnetic jacket, a skin effect can be used in an advantageous manner, as a result of which the induced eddy currents concentrate in a surface layer area of the jacket, so that the jacket is heated more strongly in the area of the axial section of the jacket with the alternating jacket thickness in the surface area than in the other axial sections with a uniform thickness over the circumference. With the help of a ferromagnetic jacket designed according to the invention with an alternating jacket thickness at least in one axial section, the heat input along the melting zone can thus be controlled in accordance with a

vorgegebenen Temperaturprofil steuern. control the specified temperature profile.

können. can.

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 Since the skin effect requires a repeated alternating change in thickness over the circumference of the ferromagnetic jacket, the jacket can form a circular cylindrical flow channel for the polymer strand to be melted over the melting zone, so that the flow conditions of the pipe body for the polymer strand cannot be adversely affected by the jacket thickness changing alternately over the circumference in an axial section of the melting zone. However, if the ferromagnetic jacket forms a circular cylinder on its outside in the area of the melting zone, the axial ribs resulting from the alternating changes in thickness protrude radially inwards, which results in an increase in surface area and thus a larger heat transfer area for

den Polymerstrang ergibt. the polymer strand.

Um einem vorgegebenen Verlauf der Wärmeeintragung entlang der Schmelzzone in In order to achieve a predetermined course of heat input along the melting zone in

einem für den Aufschmelzvorgang ausreichenden Maß folgen zu können, kann der To be able to follow a sufficient level for the melting process, the

anpassen. adjust.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es The drawing shows the subject matter of the invention as an example.

zeigen show

Fig. 1 den mit einer induktiven Heizung versehenen Rohrkörper eines erfindungsgemäßen Extrusionskopfs für die additive Fertigung eines Formkörpers in einem Axialschnitt, Fig. 1 shows the tubular body of an extrusion head according to the invention for the additive manufacturing of a molded body, provided with an inductive heater, in an axial section,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Mantel des Rohrkörpers nach der Linie Il-Il der Fig. 1 in einem größeren Maßstab, Fig. 2 is a section through the casing of the pipe body along the line II-II of Fig. 1 on a larger scale,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie Ill-IIl der Fig. 1 in einem größeren Maßstab, Fig. 3 is a section along the line III-IIl of Fig. 1 on a larger scale,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4 in einem größeren Maßstab. Fig. 5 is a section along the line V-V of Fig. 4 on a larger scale.

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 In the drawing, only the area of an extrusion head used for the additive manufacturing of a molded body is shown schematically which is used for melting the supplied thermoplastic polymer strand. This thermoplastic polymer strand is fed by a conveyor device to a tubular body 1 held in a carrier, the ferromagnetic jacket 2 of which opens into an extrusion nozzle 3. The ferromagnetic jacket 2, which is inductively heated along a melting zone 4, has a jacket thickness that changes repeatedly and alternately over the jacket circumference in at least one axial section 5. Due to this repeatedly changing jacket thickness, axial ribs 6 are formed in section 5 of the melting zone 4 distributed over the circumference of the jacket 2, which run on the inside of the jacket 2 of the tubular body 1 according to Figs. 1 to 3, but also on the outside according to Figs. 4 and 5.

Mantelaußenseite angeordnet sein können. can be arranged on the outside of the jacket.

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 At least one section 5 with a repeatedly alternatingly changing jacket thickness over the jacket circumference is to be provided along the melting zone 4. The jacket 2 can also form two or more such sections. In Fig. 1, in addition to section 5, a further section 7 is shown, in the area of which the repeatedly alternatingly changing jacket thickness has a different period length 8 and a different thickness difference 9 compared to section 5.

aufweist, was sich in einem unterschiedlichen Querschnitt der Rippen 6 auswirkt. , which results in a different cross-section of the ribs 6.

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 In order to use the skin effect in a section 5 with an alternating sheath thickness to advantage, provided that the period length 8 of the thickness change and the thickness difference are comparatively small, as can be seen from Figs. 2 and 5, a correspondingly higher excitation frequency for the magnetic excitation field must be provided in order to limit the penetration depth. For a design according to Fig. 3, i.e. in the case of comparatively

großer Querschnitte für die sich durch die Dickenunterschiede ergebenden Rippen large cross-sections for the ribs resulting from the differences in thickness

um eine höhere Eindringtiefe sicherzustellen. to ensure a greater penetration depth.

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 As can be seen from Fig. 1, when two sections 5 and 7 are provided with a jacket thickness that changes repeatedly and alternately over the jacket circumference, two induction coils 10, 11 can be provided, which are particularly matched with regard to their excitation to the two sections 5, 7, which are designed differently in terms of the differences in thickness, but extend concentrically over the entire melting zone 4. With an alternating excitation of the two induction coils 9, 10, magnetic excitation fields with different frequencies act alternately in the jacket 2 along the entire melting zone 4. This means that, depending on the excitation frequency, different effects occur in sections 5 and 7 due to different penetration depths with the result that different amounts of heat can be made available along sections 5 and 7 in order to adapt to a predetermined temperature profile along the

Schmelzzone 4 zu sorgen. melting zone 4.

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 If the jacket 2 has only one section 5 along the melting zone 4 with a jacket thickness that changes repeatedly and alternately over the jacket circumference, an induction coil extending over the length of the melting zone 4 is sufficient, regardless of the area of the melting zone 4 over which the section of the jacket 2 with a thickness that changes repeatedly and alternately over the jacket circumference is located.

Manteldicke erstreckt. mantle thickness.

Claims (5)

(345094.3) II Patentansprüche(345094.3) II Patent claims 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 1. Extrusion head for the additive manufacture of a molded body with a tubular body (1) opening into an extrusion nozzle (3) and forming a ferromagnetic jacket (2) and with at least one induction coil (10, 11) enclosing the ferromagnetic jacket (2) of the tubular body (1) in a melting zone (4), characterized in that the ferromagnetic jacket (2) has a magnetic field extending over the Mantelumfang wiederholt alternierend ändernde Manteldicke aufweist. The jacket circumference has a repeatedly alternating changing jacket thickness. 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 2. Extrusion head according to claim 1, characterized in that the induction coil (10, 11) is operated at a frequency dependent on the period length (8) of the alternatingly changing jacket thickness and the thickness difference (9). erregbar ist. is excitable. 3. Extrusionskopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Mantel (2) im Bereich der Schmelzzone (4) eine kreiszylindrische 3. Extrusion head according to claim 1 or 2, characterized in that the ferromagnetic jacket (2) in the region of the melting zone (4) has a circular cylindrical Außenfläche aufweist. outer surface. 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 4. Extrusion head according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ferromagnetic jacket (2) in the region of the melting zone (4) has at least two sections (5, 7) spaced apart from one another in the axial direction with a jacket thickness that changes alternately over the jacket circumference and that the changes in the jacket thickness in the two axial sections (5, 7) of the Schmelzzone (4) unterschiedlich sind. melting zone (4) are different. 5. Extrusionskopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass den beiden 5. Extrusion head according to claim 4, characterized in that the two axialen Abschnitten (5, 7) mit einer sich über den Mantelumfang alternierend axial sections (5, 7) with an alternating erregbar sind. are excitable.
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