DE102016010245A1 - Method and device for the generative production of liquid objects - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeitsoberflächen durch Flüssigkeitstropfen in einer die Flüssigkeitstropfen abweisenden Flüssigkeit. Erfindungsgemäß werden dazu die Flüssigkeitstropfen auf eine Oberfläche der flüssigkeitstropfenabweisenden Flüssigkeit aufgetragen.The present invention relates to a method and apparatus for producing liquid surfaces by liquid droplets in a liquid repelling the liquid droplets. According to the invention, the liquid drops are applied to a surface of the liquid drop-repellent liquid.

Description

Im Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von 3D Objekten im 3D Druckverfahren ausführlich beschrieben. Die Schrift US 4575330 A beschreibt beispielsweise das Verfahren Stereolithografie „Ein System zum Erzeugen von dreidimensionalen Objekten, gebildet aus flüssigem Medium durch Veränderung seiner physikalischen Zustand durch geeignete Strahlung, Teilchenbeschuss oder chemische Reaktion ...”.In the prior art, methods and apparatus for generating 3D objects in the 3D printing process are described in detail. The font US 4575330 A describes, for example, the method stereolithography "A system for producing three-dimensional objects formed from liquid medium by changing its physical state by suitable radiation, particle bombardment or chemical reaction ...".

Andere Schriften beschreiben Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von 3D Körpern im generativen 3D Druckverfahren durch Pulver und mehrfarbige Tinte mit Aushärter. Mit diesem Verfahren sind beliebig farbige 3D Objekte herstellbar.Other documents describe methods and apparatus for generating 3D bodies in the generative 3D printing process by powder and multi-color ink with hardener. With this method, any color 3D objects can be produced.

Bei den beschriebenen Veröffentlichungen ist nachteilhaft zu beschreiben, dass diese Verfahren nicht geeignet sind, um eine hochaufgelöste Bild- bzw. Farberzeugung auf 3D Oberflächen realitätsnah abzubilden. Beim mehrfarbigen 3D Druck ist beispielsweise die abgebildete Pixelgenauigkeit auf der Oberfläche des Objektes, im Vergleich zu Fotodruck sehr gering. Die erstellten Objekte wirken in der Anmutung unscharf und verwaschen. Die Übereinstimmung von farbigen 3D Personenreproduktionen, mit der realen Person, stimmt nur in der geometrischen Form, jedoch nur gering an der Farboberfläche (Textur) überein.In the publications described is disadvantageous to describe that these methods are not suitable for realistically depict a high-resolution image or color generation on 3D surfaces. In multicolor 3D printing, for example, the imaged pixel accuracy on the surface of the object is very small compared to photo printing. The created objects appear blurred and washed out in appearance. The coincidence of colored 3D person reproductions, with the real person, agrees only in the geometrical form, but only slightly on the color surface (texture).

Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein generatives Verfahren und eine Vorrichtung mit verbesserter Farbwiedergabe anzugeben, die einfach im Aufbau und günstig herstellbar ist.Based on the described prior art, the present invention has for its object to provide a generative method and apparatus with improved color rendering, which is simple in construction and inexpensive to produce.

Die Lösung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung einer Oberfläche durch die Oberflächen von Flüssigkeitstropfen in einer die Flüssigkeitstropfen abweisenden Flüssigkeit und dass die Flüssigkeitstropfen auf eine Oberfläche der flüssigkeitstropfenabweisenden Flüssigkeit aufgetragen werden, bewirkt wird.The solution according to the invention is characterized in that the production of a surface is effected by the surfaces of liquid drops in a liquid repelling the liquid droplets and that the liquid droplets are applied to a surface of the liquid droplet repelling liquid.

Durch diese Lösung sind farbige 2D oder 3D Oberflächen sehr genau herstellbar, da die Flüssigkeitstropfen sehr klein, individuell farbig und genau positioniert werden können.With this solution, colored 2D or 3D surfaces can be produced very accurately, since the liquid drops can be very small, individually colored and precisely positioned.

Das Verfahren der Herstellung von kleinsten farbigen Tropfen, ist beispielsweise von der Funktion von Tintenstrahldruckern bekannt. Ein Piezo- oder Heizelement erhöht den Druck in der Tintenkammer wodurch kleinste Tropfen herausgeschleudert werden. Durch Kombination der Tintendruckstrahltechnik mit einem tintenabweisenden, zumindest teilweise lichtdurchlässigen und vorzugsweise hochviskosen Flüssigkeit, lassen sich sehr genaue 3D Objekte herstellen und betrachten, die praktisch nur durch die kleinste mögliche Tropfengeometrie limitiert sind.The method of producing minute colored drops is known, for example, from the function of ink jet printers. A piezo or heating element increases the pressure in the ink chamber, causing the smallest drops to be ejected. By combining the ink-jet printing technology with an ink-repellent, at least partially translucent, and preferably highly viscous liquid, it is possible to produce and view very precise 3D objects which are practically limited only by the smallest possible drop geometry.

Beschreibungdescription

Zwei unterschiedliche Flüssigkeiten lassen sich teilweise nicht miteinander vermischen, wodurch eine Abstoßung der einen Flüssigkeit, unter Annahme eines Energieminiums (Kugelform) eintritt. Beispielsweise führt die Mischung von Wasser in Öl zu einer tropfen-/kugelförmigen Absetzung des Wassers im Öl. Bei Mischungen von Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Dichte, sinkt die schwerere Flüssigkeit zum Boden hin ab. Die Abweichung der Dichte beider Flüssigkeiten beeinflusst die Sedimentationsgeschwindigkeit. Zusätzlich wird die Sedimentationsgeschwindigkeit durch den Durchmesser des Tropfens, der Viskosität der durchströmten Flüssigkeit und den Strömungskoeffizient maßgeblich definiert.In some cases, two different liquids can not be mixed with each other, which causes a repulsion of one liquid, assuming an energy minium (spherical shape). For example, the mixture of water in oil results in a drop / spherical settling of the water in the oil. For mixtures of different density liquids, the heavier liquid will sink to the bottom. The deviation of the density of both liquids influences the sedimentation velocity. In addition, the sedimentation rate is significantly defined by the diameter of the droplet, the viscosity of the liquid flowed through and the flow coefficient.

Tropfen mit höherer Dichte als die umgebende Flüssigkeit sinken zum Behälterboden mit der Sinkgeschwindigkeit W ab, es gilt folgender Zusammenghang:

Figure DE102016010245A1_0002

Ws
– Sedimentationsgeschwindigkeit
ρp
– Dichte des Tropens
ρf
– Dichte des Fluids
g
– Schwerebeschleunigung
d
– Äquivalentdurchmesser
CD
– Strömungswiderstandskoeffizient
Drops of higher density than the surrounding liquid sink to the bottom of the container at the rate of descent W, the following equation applies:
Figure DE102016010245A1_0002
W s
- sedimentation velocity
p
- Density of the tropics
ρ f
- Density of the fluid
G
- gravitational acceleration
d
- equivalent diameter
C D
- Drag coefficient

Die Tropfen können auch farbig ausgeführt sein. Beispielsweise ist das aus Tintenstrahldruckern bekannt. Ein Piezo oder Heizelement erhöht den Druck in der Tintenkammer, wodurch kleinste Tropfen herausgeschleudert werden. Die farbigen Tropfen weisen unterschiedliche Pigmente oder Farbstoffe auf, woraus eine unterschiedliche Dichte der Farbtropfen resultiert.The drops can also be colored. For example, this is known from inkjet printers. A piezo or heating element increases the pressure in the ink chamber, causing the smallest drops to be ejected. The colored drops have different pigments or dyes, resulting in a different density of color drops.

Aufgrund der Dichteunterschiedlichkeit der farbigen Tropfen, stellen sich unterschiedliche Sedimentationsgeschwindigkeiten ein.Due to the difference in density of the colored droplets, different sedimentation rates occur.

Verfahrensbeschreibung:Process Description:

In einem Computer ist eine Datei mit Koordinatenpunkten einer 3D Oberfläche gespeichert. Zusätzlich können den Koordinatenpunkten noch individuelle Farben zugeordnet werden. Der Computer übergibt beim Start jeweils eine äußerste 2D Schnittgeometrie, mit den Farbinformation der Umrisslinie der Schnittebene an den 3D Flüssigkeitsdrucker. Dieser positioniert die farblichen Tropfen jeweils in einem Flüssigkeitsbehälter im Mittelpunktsabstand A von 2 Tropfen (Es gilt: A > d (d = Durchmesser Tropfen)) auf den Koordinatenpunkten der Umrisslinie der Schnittebene des Computermodels. Die Flüssigkeitstropfen haben eine höhere Dichte als die Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter. Die umgebende Flüssigkeit ist zumindest teilweise Lichtdurchlässig und vorzugsweise hochviskos, so dass die Tropfenanordnung von außen betrachtet werden kann. Nach Positionierung der Tropfen der ersten Schnittebene sinken die Tropfen mit der Sedimationsgeschwindigkeit in Richtung Behälterboden ab. Nach Abtauchen der Tropfen um den Betrag des Mittelpunktabstandes H > d wird die 2. Schnittgeometrie aus dem Computer geladen und die Umrisslinie der 2. Schnittebene werden tropfenförmig auf die Oberfläche der Flüssigkeit im Behälter aufgetragen. Der Abstand H wird dadurch eingestellt, dass der Flüssigkeitsdrucker um eine Zeit t bis zum Auftragen der nächsten Tropfenreihe wartet. Der Wert t errechnet sich aus der Sedimentationsgeschwindigkeitsformel.In a computer, a file with coordinate points of a 3D surface is stored. In addition, the coordinate points can still be assigned individual colors. The computer transfers an outermost 2D cut geometry at startup, with the color information of the outline of the cutting plane to the 3D liquid printer. The latter positions the colored drops in a liquid container at the center distance A of 2 drops (A> d (d = diameter drops)) on the coordinate points of the outline of the cutting plane of the computer model. The liquid drops have a higher density than the liquid in the liquid container. The surrounding liquid is at least partially translucent and preferably highly viscous, so that the drop arrangement can be viewed from the outside. After positioning the drops of the first cutting plane, the drops sink at the sedimentation rate in the direction of the container bottom. After submerging the drops by the amount of the center distance H> d, the second cutting geometry is loaded from the computer and the outline of the second cutting plane is applied dropwise to the surface of the liquid in the container. The distance H is set by the liquid printer waiting for a time t until the next row of drops is applied. The value t is calculated from the sedimentation rate formula.

Die Auftragung der Tropfen auf die Oberfläche der Flüssigkeit im Behälter erfolgt vorzugsweise mit einem Tintenstrahldrucker. Durch den Abstand der Tropfen A und H, ist ein Verschmelzen von einzelnen Tropfen nicht möglich. Die unterschiedliche Sedimentationsgeschwindigkeit, hervorgerufen durch unterschiedliche Dichten der Farbtropfen, bzw. unterschiedlichen Dichte der Farbpigmente oder Farbstoffe, wird durch Anpassung des Tropfendurchmessers der Kugel ausgeglichen. D. h. schwere Tropfen erhalten einen etwas kleinen Tropfendurchmesser als leichtere Tropfen. Unter der Voraussetzung gilt, dass alle farbigen Tropfen mit derselben Sedimentationsgeschwindigkeit absinken.The application of the drops on the surface of the liquid in the container is preferably carried out with an inkjet printer. Due to the distance of the drops A and H, a fusion of individual drops is not possible. The different sedimentation speed, caused by different densities of the ink droplets, or different density of the color pigments or dyes, is compensated by adjusting the droplet diameter of the sphere. Ie. heavy drops get a slightly smaller drop diameter than lighter drops. Provided that all colored drops fall at the same sedimentation rate.

Der Vorgang der Tropfenpositionierung wird nun für alle weiteren Schnittebenen des 3D Models wiederholt, bis das 3D Modell mit der letzten Schnittebene fertig gestellt ist.The process of drop positioning is now repeated for all other cutting planes of the 3D model until the 3D model is finished with the last cutting plane.

Mit dieser Technik lassen sich nahezu beliebig genaue monochrome oder farbige 3D Oberflächen erzeugen. Die Genauigkeit der Bildinformation ist nur durch die Tropfengröße vorgegeben und liegt bei handelsüblichen Tintenstrahldruckern im Bereich > 1200 dpi, was einer Bildauflösung von 0,02 mm entspricht. Die Tröpfchengröße ist dabei wesentlich geringer, da bereits ein Pixel die gesamte Farbinformation enthält. Bei 4 bzw. 6 Farbendruckern, bilden jeweils 4 bzw. 6 Grundfarbentropfen auf einem Pixel den sichtbaren Farbton ab.With this technique you can create nearly any monochrome or colored 3D surfaces. The accuracy of the image information is determined only by the drop size and is in commercial inkjet printers in the range> 1200 dpi, which corresponds to an image resolution of 0.02 mm. The droplet size is much lower because one pixel already contains all the color information. With 4 or 6 color printers, 4 or 6 spot drops on one pixel respectively depict the visible hue.

Die hier beschriebene Vorrichtung ist nicht nur auf einen Anwendungsfall. wie er in 1 beschrieben ist beschränkt, sondern es können natürlich auch andere Kombinationen außerhalb von Wasser und 01 eingesetzt werden. Wichtig ist dabei, dass sich die beiden Flüssigkeiten abstoßen.The device described here is not limited to one application. as he in 1 is limited, but it can of course be used other combinations outside of water and 01. It is important that the two liquids repel each other.

Auch ist es denkbar, die einzelnen Tropfen in der tropfenabweisenden Flüssigkeit mit einer Spritze direkt anzuordnen. Dadurch ist Arbeitsgeschwindigkeit nicht mehr von der Sedimentationsgeschwindigkeit abhängig. Das Verfahren ist ansonsten wie zuvor beschrieben.It is also conceivable to arrange the individual drops directly in the drop-repellent liquid with a syringe. As a result, working speed is no longer dependent on the sedimentation rate. The procedure is otherwise as previously described.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren.Further advantages and features of the invention will become apparent from the following description with reference to FIGS.

1 zeigt den schematischen Aufbau der Flüssigkeitsdruckereinrichtung mit dem Flüssigkeitsbehälter 1, der die Flüssigkeit 2 aufnimmt. Die Flüssigkeit 2 wirkt auf den Tropfen abstoßend. Der Tropfen 3 wird dabei von dem Druckkopf 4 auf die Flüssigkeitsoberfläche c aufgebracht. Der Druckkopf 4 wird motorisch in Richtung x, y über die Achsen 5, 6 und parallel zu Flüssigkeitsoberfläche c über die ECU 8 angesteuert. Die Einspeisung der Oberflächenkoordinaten der jeweiligen Schnittebene der abzubildenden Oberfläche erfolgt über den Computer 7. 1 shows the schematic structure of the liquid printer device with the liquid container 1 who is the liquid 2 receives. The liquid 2 acts repugnant to the drop. The drop 3 is doing from the printhead 4 applied to the liquid surface c. The printhead 4 becomes motor in direction x, y over the axes 5 . 6 and parallel to liquid surface c via the ECU 8th driven. The feeding of the surface coordinates of the respective cutting plane of the surface to be imaged takes place via the computer 7 ,

2 zeigt die horizontale und vertikale Positionierung einer beliebigen Reihe von Tropfen 3 mit dem Durchmesser d auf der Oberfläche c und eine dazu orthogonal vertikal stehenden Fläche e. Der horizontale Schwerpunktabstand der Tropfen auf der Oberfläche ist größer als der Tropfendurchmesser d. Dadurch wir ein Verschmelzen der beiden Tropfen verhindert. Durch den vertikalen Abstand H der Tropfen 3 wird auch ein Verschmelzen der Tropfen in vertikaler Richtung unterbunden. 2 shows the horizontal and vertical positioning of any row of drops 3 with the diameter d on the surface c and an orthogonal vertical surface e. The horizontal center of gravity distance of the droplets on the surface is greater than the droplet diameter d. This prevents a fusion of the two drops. By the vertical distance H of the drops 3 also a fusion of the drops is prevented in the vertical direction.

3 zeigt den unterschiedlich Tropfendurchmesser bei Verwendung von unterschiedlichen Tropfenfarben. Der leichte Tropfen 9 mit dem Durchmesser d ist im Vergleich ich zu einem schwereren, farblich unterschiedlichen Tropfen 10 mit dem Durchmesser f dargestellt. Beide Tropfen berühren nach der Positionierung die Oberfläche c mit der jeweiligen Unterseite. 3 shows the different drop diameter when using different drop colors. The slight drop 9 with the diameter d is in comparison to a heavier, differently colored drop 10 represented by the diameter f. Both drops touch after positioning the surface c with the respective bottom.

4 zeigt die Anordnung der Tropfen aus 3 nach einer Zeitdauer T > 0. Beide Tropfen 9 und 10 haben sich mit derselben Sedimentationsgeschwindigkeit um den Betrag J von der Oberfläche c fortbewegt. 4 shows the arrangement of the drops 3 after a period T> 0. Both drops 9 and 10 have moved with the same sedimentation speed by the amount J of the surface c.

5 zeigt eine Ausgestaltung des Flüssigkeitsdruckers aus 1 mit einem Absaugschlauch 11 und einer Pumpe 12 zum Absaugen der abgesetzten Wasserbestandteile. 5 shows an embodiment of the liquid printer 1 with a suction hose 11 and a pump 12 for sucking off the settled water components.

6 zeigt eine Ausgestaltung des Flüssigkeitsdruckers mit einer unter der Flüssigkeitsfläche liegenden Tropfenspritze 13 die Ansteuerung erfolgt hierbei vorzugsweise motorisch über die Achse Z in Richtung z. 6 shows an embodiment of the liquid printer with a lying below the liquid surface dropper syringe 13 the control takes place in this case preferably by motor over the axis Z in the direction z.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 4575330 A [0001] US 4575330 A [0001]

Claims (10)

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Flüssigkeitsoberflächen durch Flüssigkeitstropfen in einer die Flüssigkeitstropfen abweisenden Flüssigkeit. dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitstropfen auf eine Oberfläche der flüssigkeitstropfenabweisenden Flüssigkeit aufgetragen werden.Method and device for generating liquid surfaces by liquid droplets in a liquid repelling the liquid droplets. characterized in that the liquid drops are applied to a surface of the liquid drop repellent liquid. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenpositionen der Flüssigkeitstropfen aus X, Y Koordinatendateien ausgelesen werden.Method and device according to claim 1, characterized in that the surface positions of the liquid drops of X, Y coordinate files are read out. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitstropfen und die flüssigkeitstropfenabweisende Flüssigkeit unterschiedliche Dichten aufweisen.Method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid drops and the liquid drop-repellent liquid have different densities. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung auf die Oberfläche fortlaufend nach Umschließung der Flüssigkeitstropfen in der flüssigkeitstropfenabweisenden Flüssigkeit erfolgt..Method and device according to claim 2, characterized in that the positioning on the surface is carried out continuously after enclosure of the liquid droplets in the liquid drop-repellent liquid. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitstropfen zumindest teilweise aus Wasser bestehen.Method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid drops at least partially consist of water. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigkeitstropfenabweisende Flüssigkeit zumindest teilweise transparent und hochviskos istMethod and device according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid drop-repellent liquid is at least partially transparent and highly viscous Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfen Farbstoffe, bzw. Farbpigmente enthalten.Method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the drops contain dyes or color pigments. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Positionieren der Tropfen durch eine Spritze unterhalb der Oberfläche der tropfenabweisenden Flüssigkeit erfolgt.Method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the positioning of the drops takes place through a syringe below the surface of the drop-repellent liquid. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Spritze orthogonal zur Positionierebene der Tropfen motorisch positioniert wird.Method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the syringe is positioned orthogonal to the positioning plane of the drops by motor. Verfahren und Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die am Boden ablagernden Tropfen über eine Pumpe abgesaugt werden können.Method and device according to one of the preceding claims, characterized in that the drops deposited on the bottom can be sucked off via a pump.
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