阅读说明：本技术 用于机床的3d打印工具 (3D printing tool for machine tool ) 是由 安德烈亚斯·哈泽 卡尔-海因·斯莫尔卡 于 2018-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于与机床(15)的主轴(1)联接的装置(16)。主轴(1)的力能以纯机械的方式被传递至用于运输长丝(51)的运输元件(25),以便通过增材制造形成成型件。本发明还涉及具有这种装置(16)的机床(15)以及利用这种装置(16)进行增材制造的方法。(The invention relates to a device (16) for coupling to a spindle (1) of a machine tool (15). The force of the spindle (1) can be transmitted in a purely mechanical manner to a transport element (25) for transporting the thread (51) in order to form a molded part by additive manufacturing. The invention also relates to a machine tool (15) having such a device (16) and to a method for additive manufacturing using such a device (16).)

用于机床的3D打印工具

技术领域

本发明涉及一种用于与机床的主轴联接的装置，该装置包括材料处理单元和用于与机床的主轴联接的保持器。此外，本发明涉及一种具有主轴的机床，该机床具有这种装置，还涉及一种用于利用这种装置形成成型件的方法，该方法用于增材制造，该增材制造尤其利用熔融沉积成型工艺。

背景技术

专利文献DE112015001860T5公开了一种可更换单元，该可更换单元被设置用于与计算机辅助的数控机器联接。可更换单元包括：与CNC(计算机数控)机器的主轴联接的保持器；控制装置，其用于接收主轴的转速作为输入；以及材料处理单元，该材料处理单元执行响应主轴的第一转速范围的第一功能以及响应主轴的第二转速范围的第二功能。该专利文献还描述了一种能与CNC设备联接的挤出机。该挤出机具有保持器和发电机，该发电机将主轴的旋转运动转换成用于驱动挤出机的电机的电流。挤出机提供挤出的材料，从而以响应主轴转速的方式形成部件。

可更换单元利用发电机将主轴的旋转能转换为电能。然后，以此方式获得的电能由电机再次转换为旋转能以便驱动挤出机。

发明内容

本发明的目的是改进这种装置，优选地简化复杂性。

该目的通过权利要求1实现，也就是通过一种用于与机床的主轴联接的装置实现，该装置包括材料处理单元和用于与机床的主轴联接的保持器，其中，该材料处理单元具有传动器，该传动器包括力接收元件和力输送元件，其中，力接收元件被设计用于接收主轴的机械力，其中，力输送元件被设计用于将机械力输送到运输元件处，其中，运输元件被设计用于运输长丝，其中，由力接收元件接收的力以纯机械的方式被传递到力输送元件上。

其他有利的实施方式由从属权利要求2至13给出。

该目的还通过权利要求14实现，也就是通过一种具有主轴的机床实现，该机床具有根据权利要求1至13中任一项所述的装置。

该目的还通过权利要求15实现，也就是通过一种用于利用根据权利要求1至12中任一项所述的装置形成成型件的方法实现，该方法用于增材制造，该增材制造尤其利用熔融沉积成型工艺，该方法具有以下步骤：

-利用传动器将力从主轴传递到运输元件上，

-由材料处理单元接收长丝，

-沿输出元件的方向、特别是喷嘴的方向运输长丝，

-利用加热元件加热输出元件中的长丝，

-输出已加热的长丝。

机床被用作为一种工作机器，其使工具对工件在相互确定的导向下产生作用。通常，机床操纵工具和工件并且记录、处理和反馈关于制造过程的信息。机床是机械化的并且优选是自动化的工作机器，该工作机器通过工件与工具之间的相对运动将工件制成预定的形状或者将工件改成预定的形状。

机床优选地包括承载工具的主轴，其中，该工具能够被手动和自动地更换。这种主轴由于其可能的高转速而实现对工件的非常精确的加工。在此能够例如通过铣削或车削来加工工件。

机床优选与现代控制单元组合。这些CNC机床(CNC表示计算机数控)能够以高精度和全自动的方式加工工件。

术语“联接”在此表示装置与机床主轴的连接，在此，可以考虑不同类型的连接，例如通过螺栓、螺钉、螺纹、磁体、电磁体、粘合剂或其他粘接剂或焊接的连接。连接也可以是卡扣连接或夹紧连接以及其他的力配合或形状配合的连接。

该装置包括材料处理单元和用于与机床的主轴联接的保持器。

保持器优选地被设计成能够实现已阐述的连接类型之一的形式。

材料处理单元具有传动器，该传动器包括力接收元件和力输送元件。力接收元件被设计用于接收主轴的机械力。力输送元件被设计用于将机械力输送到运输元件处。运输元件被设计用于运输长丝。由力接收元件接收的力以纯机械的方式被传递到力输送元件上。

传动器是一种机械组件，其传递和/或转换力、转速、运动(特别是旋转运动)或力矩(特别是转矩)。传动器可以被设计成具有一样大的传动比的传动器，也可以被设计成具有不一样大的传动比的传动器。

在此，传动比(也被称为传动比率)表示一种待接收的输入侧的力(例如转速、转矩)与待输送的输出侧的力之间的比率。

该装置具有的优点是，能够以简单的方式运输长丝。因为由力接收元件接收的力以纯机械的方式被传递到力输送元件上，所以该装置不易出错，具有低的价格和小的损耗。

此外，紧凑的设计也是可能的。另外，由于能够通过主轴的转速直接控制运输元件，仅需要少量的控制技术。

在本发明的一个有利的设计方案中，力接收元件被设计用于接收主轴的转矩。

力接收元件优选地与主轴直接连接。在此可以考虑不同类型的连接，例如卡扣连接、夹紧连接或其他的力配合或形状配合的连接。另外，连接也可以通过螺栓、螺钉、螺纹、磁体、电磁体、粘合剂或其他粘接剂或焊接实现。

在本发明的另一个有利的设计方案中，力输送元件被设计用于将转矩输送到运输元件。

力输送元件能够输送与由力接收元件接收的转矩相对应的转矩。但是，其也可以输送增大或减小的转矩。增大的转矩导致转速降低。减小的转矩导致转速升高。

在本发明的另一个有利的设计方案中，力接收元件被设计为与力输送元件分开的。优选地，由力接收元件接收的转矩的旋转轴线基本正交于由力输送元件供给的运输元件的旋转轴线。

这两个旋转轴线优选地彼此垂直。这简化了传动器的复杂性。但是，其他角度也是可行的。

在本发明的另一个有利的设计方案中，传动器被设计为组合式传动器，该组合式传动器将包括第一齿轮和第二齿轮的齿轮传动器与包括蜗杆轴和蜗轮的蜗轮蜗杆传动器组合在一起。

在组合式传动器的示例性方案中，第一齿轮优选直接与主轴连接。在此，第一齿轮是力接收元件，因为其直接从主轴接收力。

与第一齿轮配对的第二齿轮是蜗杆轴的一部分或者与蜗杆轴抗扭地连接。第二齿轮表现为力输送元件。

力输送元件尤其是将力直接输送到运输元件的元件。其在这种情况下是第二齿轮。

蜗杆轴与蜗轮配对。在示例性方案中，蜗轮是运输元件。力输送元件将力输送到该运输元件。

还可以考虑第二齿轮通过另外的传动器与蜗杆轴的连接。

此外，还可以考虑其他的传动器类型，其实现纯机械的力传递，例如锥形齿轮传动器。

金属或塑料适合作为齿轮、蜗杆轴和/或蜗轮的材料。由碳和铁制成的合金或各种钢是特别合适的。

优选地，在蜗轮蜗杆传动器的情况中，具有第一硬度的材料的蜗杆轴与具有第二硬度的材料的蜗轮配对，其中，第二硬度比第一硬度更软以减少摩擦。例如，蜗杆轴具有硬化钢。例如，蜗轮具有黄铜或青铜。

齿轮传动器和/或蜗轮蜗杆传动器具有润滑件。润滑件优选是油脂或油。

该润滑件优选具有排热的能力。

具有螺旋齿的蜗杆轴特别适合作为该蜗杆轴，其中，齿螺旋式地围绕轮轴线，并且该齿包含至少一个弹性体，例如，橡胶齿形成蜗杆轴的齿部。

在此，配对的蜗轮不需要齿部。在此，优点是能够以这种方式运输长丝，而不使长丝卡到蜗轮的齿中。另外，可以放弃可能粘附到长丝上的润滑件。

在本发明的另一个有利的设计方案中，运输元件具有两个相对置的压紧辊。

压紧辊是圆柱体，该圆柱体被一个罩面和两个切割圆面包围。

如已说明的那样，主轴的力优选作用在两个压紧辊中的至少一个上。

力输送元件将力输送到运输元件。在这种情况下，力输送元件将力输送到至少一个压紧辊上。

优选地，第二压紧辊可旋转地安装在垂直于理想切割圆面的轴线上。

然而，也可以由主轴通过一个或多个传动器驱动两个压紧辊。

此外，运输元件还可以具有三个或更多个压紧辊。然而，偶数的数量被证明是有利的，这使得压紧辊能够分别相对布置。

来自力输送元件的力被输送到布置的压紧辊中的至少一个压紧辊上。

在本发明的另一个有利的设计方案中，运输元件用于沿着输出元件的方向、特别是输出元件的喷嘴的方向运输长丝。

压紧辊的旋转方向优选地使得长丝沿着输出元件的方向输送。优选地，从喷嘴出来的长丝的方向基本平行于主轴的旋转轴线。

优选地，主轴的转速参考传动器的传动比来确定运输元件的转速，并且因此还确定长丝沿着输出元件的方向运动所需的速度。

机床优选地具有控制单元。可以将主轴的期望转速告知机床。机床优选地被设计为CNC机床。控制单元优选地被设计用于，基于长丝的至少一种材料特性来确定主轴的取决于材料特性的速度、特别是转速。

喷嘴优选是3D(三维)打印头的一部分。

在本发明的另一个有利设计方案中，该装置具有用于接收长丝的长丝接收件。

优选地通过主轴中的通道实现长丝的接收。该通道优选地被设置用于冷却剂和/或润滑件的运输。

此外，还可以设有长丝线轴。在长丝线轴的情况中，长丝优选地缠绕在主轴头上和/或环形地放置在主轴头上。

长丝优选包括模制蜡、热塑性塑料、热固性塑料或其他塑料。但是，也可以使用其他材料，例如使用金属，其例如是银、金、锡、铜或黄铜。

通常，优选能在一定温度范围内变形的物质是合适的。温度范围优选在150℃与300℃之间，尤其在200℃与270℃之间。

在本发明的另一个有利的设计方案中，材料处理单元具有至少一个加热元件。

加热元件优选地集成在材料处理单元中。然而，其也可以是与材料处理单元连接的外部加热元件。

在本发明的另一个有利的设计方案中，加热元件布置在输出元件中。

优选地，加热元件布置在输出元件的喷嘴上或紧邻该喷嘴。

长丝经由运输元件被沿着喷嘴的方向运输，被加热到一定温度，以使其能被变形并输出。

顺序、图案或其他规定优选被存储在控制单元中。基于该图案、该顺序或该规定，能够沿着喷嘴的方向运输、加热和输出长丝。

在本发明的另一个有利的设计方案中，材料处理单元用来基于长丝形成成型件。

优选将成型件作为数据组(例如CAD(计算机辅助设计)文件)存储在机床中，优选存储在控制单元中。控制单元基于该数据组来控制主轴，以便能够生成成型件。

该装置优选地被设计为3D打印头。该3D打印头基于长丝和存储在控制单元中图案或存储在控制单元中的顺序或规定来产生成型件。

在本发明的另一个有利的设计方案中，该装置具有用于与控制单元通信的通信接口。

该装置优选地还具有至少一个传感器。借助通信接口能够获得传感器的数据。通过这种方式，例如能够获得并给控制单元传输加热元件的温度、主轴的转速和运输元件的转速。

因此，通信接口确保了该装置的安全运行。

通信优选地借助于总线系统或工业以太网实现。但是，也可以使用其他的通信技术。

在本发明的另一个有利的设计方案中，所述装置用于成型件的增材制造，该增材制造尤其利用熔融沉积成型(Schmelzschichtung)工艺。

熔融沉积成型是一种增材制造方法，在该方法中，成型件由可熔材料或能受热变形的材料分层地构造。熔融沉积成型也以术语“熔融沉积建模”或“熔融长丝制造”公知。

在熔融沉积成型的情况下，长丝能被加热并从喷嘴以小滴的形式输出，或以线束的形式从喷嘴输出。

在本发明的另一个有利的设计方案中，具有主轴的机床包括能与主轴联接的这种装置。

由此具有的优点是现有机床能够配备该装置。无需购买新的昂贵的3D打印机。

该装置优选地被设计为可更换的装置，其必要时能由客户更换。

由此具有的优点是，可以实现例如作为铣削机器的机床的替代运行。

本发明公开了一种用于利用所述的装置形成成型件的方法，该方法用于增材制造，该增材制造尤其利用熔融沉积成型工艺。

在此，利用传动器纯机械地实现力从主轴到运输元件的传递。

对于力与转矩之间的关系适用的是，转矩表示力作用在可旋转支承的物体上的强度。

优选地，主轴和压紧辊被用作可旋转地支承的物体。

长丝被材料处理单元接收并且以已说明的方式沿着输出元件的方向、特别是喷嘴的方向运输。优选地，长丝在输出元件中尤其借助于加热元件被加热并且被输出元件输出。

已加热的长丝优选以小滴的形式或作为线束输出。

优选地，将已加热的长丝输出到工作台或其他类型的工作面上。然而，也可以将例如由塑料制成的已加热的长丝输出到例如金属部件或其他部件之中或之上。

工作台可以被设计为可移动的，并且工作台为了形成成型件可以例如根据规定在优选特定的轴线上运动。

此外，也可以将主轴头或者包括主轴的机床的一部分设计成能在优选特定的轴线上运动。

本发明提出一种优选能更换的装置，其实施3D打印头的功能。本发明为用于机床的3D打印工具提供了方便和廉价的解决方案。

可以在控制单元中输入主轴的转速。在此，可以考虑长丝的材料特性。主轴的转速参照传动器的传动比来确定长丝的材料供给的速度。对于该材料供给，不需要外部的驱动器。

该装置可以形成一个独立的单元，其中不需要另外的驱动器或电缆。

该装置优选地与机床的主轴联接。在此，该装置优选地固定在工具柄部中，该工具柄部例如到目前为止也用于固定铣削工具。但是，主轴优选保持为可旋转的。

本发明具有的优点是减少了机械的和电的开销并且简化了复杂性。

附图说明

下面根据附图中所示的实施例来详细描述和阐述本发明。附图示出：

图1示出了具有被驱动的压紧辊和穿过主轴通道的长丝接收部的装置的设计方案，

图2示出了具有两个被驱动的压紧辊和一个环形长丝接收部的装置的设计方案，

图3示出了用于利用根据本发明的装置进行增材制造的方法。

具体实施方式

图1示出了具有被驱动的压紧辊25和穿过主轴1的通道的长丝接收部的装置的设计方案。

主轴壳体11包括主轴头2。主轴头2包围主轴1。这些组件根据现有技术是机床15的一部分。主轴1围绕旋转轴线10旋转。装置16固定在工具柄部3中。装置16包括滚珠轴承31和装置壳体8，该装置借助于保持器61与主轴1联接。在该图中，装置16还利用紧固元件32固定在机床15的主轴壳体11处，该机床优选被设计为CNC机床。主轴1应在装置16中旋转，但是装置16不应一同旋转。

传动器在该图中被设计为组合式传动器。该组合式传动器包括具有第一齿轮21和第二齿轮22的齿轮传动器。该齿轮传动器与包括蜗杆轴24和蜗轮25的蜗轮蜗杆传动器组合。

该图示出了可选的连杆23，其将第二齿轮22与蜗杆轴24抗扭地连接。第二齿轮22也能与蜗杆轴24直接连接。

第一齿轮21与主轴1直接连接。第一齿轮21在此是力接收元件，因为其接收主轴1的力。

与第一齿轮21配对的第二齿轮22是蜗杆轴24的一部分或者与蜗杆轴24抗扭地连接。第二齿轮表现为力输送元件。

蜗杆轴24与蜗轮25配对。蜗轮25是压紧辊并且因此是运输元件的一部分。蜗轮25的旋转方向由箭头42示出。蜗杆轴24作为力输送元件将力输送至运输元件。

压紧辊26以旋转方向43相对布置。

该装置包括用于加热长丝51的加热元件60。

两个压紧辊25和26运输长丝51，该长丝沿着输出元件14的方向被引导穿过主轴1的通道。在此，压紧辊25主动地运动。

压紧辊25具有两个功能，其一方面作为蜗轮是蜗轮蜗杆传动器的一部分，其另一方面作为压紧辊是运输元件的一部分。压紧辊26仅具有作为压紧辊的一个功能。

输出元件14包括用于输出已加热的长丝51的喷嘴18。

装置16还包括通信接口53，信息通过该通信接口传输到控制单元57，该控制单元优选地是CNC机床的一部分。在该图中，该装置例如具有用于测量主轴1的转速的传感器55、用于测量设计为蜗轮25的压紧辊的转速的传感器54、以及用于测量加热元件60的温度的传感器56。

图2示出了具有两个被驱动的压紧辊25和27以及一个环形长丝接收部的装置的设计方案。

主轴壳体11包括主轴头2。主轴头2包围主轴1。这些部件根据现有技术是机床15的一部分。主轴1围绕旋转轴线10旋转。装置161固定在工具柄部3中。装置161包括滚珠轴承31和装置壳体8，并且该装置借助于保持器61与主轴1联接。在该图中，装置161还利用紧固元件32固定在机床15的主轴壳体11处，该机床优选被设计为CNC机床。主轴1应在装置16中旋转，但是装置161不应一同旋转。

在该图中，传动器被设计为组合式传动器。

与图1不同，在图2中主动地驱动两个压紧辊25和27。

该组合式传动器包括具有第一齿轮21和第二齿轮22的第一齿轮传动器。该第一齿轮传动器与包括蜗杆轴24和蜗轮25的蜗轮蜗杆传动器组合。

该图示出了可选的连杆23，其将第二齿轮22与蜗杆轴24抗扭地连接。第二齿轮22也能与蜗杆轴24直接连接。

传动器还包括具有第一齿轮21和第三齿轮30的第二齿轮传动器。该第二齿轮传动器与包括蜗杆轴28和蜗轮27的蜗轮蜗杆传动器组合。

该图示出了可选的连杆29，其将第三齿轮30与蜗杆轴28抗扭地连接。第三齿轮30也能与蜗杆轴28直接连接。

第一齿轮21与主轴1直接连接。第一齿轮21在此是力接收元件，因为其接收主轴1的力。

与第一齿轮21配对的第二齿轮22是蜗杆轴24的一部分或者与蜗杆轴24抗扭地连接。与第一齿轮21配对的第三齿轮30是蜗杆轴28的一部分或者与蜗杆轴28抗扭地连接。通过这种方式输送力。

蜗杆轴24与蜗轮25配对。蜗杆轴28与蜗轮27配对。蜗轮25是压紧辊并且因此是运输元件的一部分。蜗轮25的旋转方向由箭头42示出。蜗轮27是压紧辊并且因此是运输元件的一部分。蜗轮27的旋转方向由箭头41示出。两个蜗轮25和27相对地布置。

蜗杆轴24和28将力输送到运输元件。

因此，第一齿轮21是第一齿轮传动器的一部分，并且也是第二齿轮传动器的一部分。

压紧辊25尤其具有两个功能，其一方面作为蜗轮是蜗轮蜗杆传动器的一部分，其另一方面作为压紧辊是运输元件的一部分。这也适用于压紧辊27。

该装置包括用于加热长丝52的加热元件60。

两个压紧辊25和27运输长丝52，该长丝沿着输出元件14的方向环形地围绕主轴头2。输出元件14包括用于输出已加热的长丝52的喷嘴18。

装置161还包括通信接口53，信息通过该通信接口传输到控制单元57，该控制单元优选地是CNC机床的一部分。

图3示出了用于利用这种装置进行增材制造的方法。

在方法步骤S1中，利用传动器将力从主轴传递到运输元件上。

在方法步骤S2中，长丝被材料处理单元接收，并且在方法步骤S3中以前面已说明的方式将长丝沿输出元件的方向、特别是喷嘴的方向运输。

在方法步骤S4中，长丝在输出元件中被加热，并且在方法步骤S5中将长丝从输出元件输出。

已加热的长丝优选以液滴的形式或作为线束输出。