DE102016222315A1

DE102016222315A1 - 3D print head with improved reproducibility of the print result

Info

Publication number: DE102016222315A1
Application number: DE102016222315.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Paule; Norman Lung; Hendrik Jahnle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2018-05-17

Abstract

Druckkopf (1) für einen 3D-Drucker (50), enthaltend ein Reservoir (2) zur Aufnahme einer flüssigen Phase (32) eines in seiner Viskosität veränderlichen Ausgangsmaterials (3), wobei Mittel (4) zur Veränderung des Drucks p im Reservoir (2) vorgesehen sind und wobei das Reservoir (2) mindestens eine Austrittsöffnung (5) aufweist, aus der die flüssige Phase (32) des Ausgangsmaterials (3) durch Erhöhung des Drucks p im Reservoir (2) in Richtung auf das herzustellende Objekt (6) austreibbar ist, wobei im Bereich (5a) der Austrittsöffnung (5) ein Drucksensor (7) für den Druck p, und/oder ein Temperatursensor (8) für die Temperatur Tder flüssigen Phase (32) des Ausgangsmaterials (3), angeordnet ist.3D-Drucker (50) mit einem Druckkopf (1), wobei ein Regler (10) vorgesehen ist, der den Druck p, und/oder die Temperatur T, und/oder den durch die Austrittsöffnung (5) hindurchtretenden Massenstrom Q, der flüssigen Phase (32) des Ausgangsmaterials (3) als Rückkopplung erhält und durch Einwirkung auf mindestens eine Stellgröße (14) des Druckkopfes (1), und/oder des 3D-Druckers (50), auf einen Sollwert regelt.A printing head (1) for a 3D printer (50), comprising a reservoir (2) for receiving a liquid phase (32) of a viscosity-variable starting material (3), wherein means (4) for changing the pressure p in the reservoir (50). 2) are provided and wherein the reservoir (2) has at least one outlet opening (5) from which the liquid phase (32) of the starting material (3) by increasing the pressure p in the reservoir (2) in the direction of the object to be produced (6 ) is expelled, wherein in the region (5a) of the outlet opening (5), a pressure sensor (7) for the pressure p, and / or a temperature sensor (8) for the temperature Tder liquid phase (32) of the starting material (3) is arranged .3D printer (50) with a print head (1), wherein a regulator (10) is provided, the pressure p, and / or the temperature T, and / or passing through the outlet opening (5) mass flow Q, the liquid phase (32) of the starting material (3) receives as feedback and by Acting on at least one manipulated variable (14) of the print head (1), and / or the 3D printer (50), controls to a desired value.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckkopf für 3D-Drucker zur selektiven lokalen Ausgabe der flüssigen Phase eines Ausgangsmaterials.The present invention relates to a print head for 3D printers for selective local output of the liquid phase of a starting material.

Stand der TechnikState of the art

Ein 3D-Drucker für ein in seiner Viskosität veränderliches Material erhält eine feste Phase dieses Materials als Ausgangsmaterial, erzeugt daraus eine flüssige Phase und bringt diese flüssige Phase selektiv an den Stellen, die zu dem zu erzeugenden Objekt gehören, auf. Ein solcher 3D-Drucker umfasst einen Druckkopf, in dem das Ausgangsmaterial druckfertig aufbereitet wird. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, vorgesehen. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.A 3D printer for a viscosity-variable material obtains a solid phase of this material as a starting material, generates a liquid phase therefrom and selectively deposits this liquid phase at the locations associated with the object to be formed. Such a 3D printer comprises a printhead in which the starting material is prepared for printing. Furthermore, means are provided for generating a relative movement between the print head and the work surface on which the object is to be formed. In this case, either only the print head, only the work surface or both the print head and the work surface can be moved.

Typischerweise wird die flüssige Phase des Ausgangsmaterials durch Ausübung einer Kraft oder eines Drucks aus einer Austrittsöffnung herausgetrieben, so dass sie sich an dem herzustellenden Objekt anlagert und dort erstarrt. Die flüssige Phase des Ausgangsmaterials kann dabei wahlweise als kontinuierlicher Strang oder in Form einzelner Tropfen aus der Austrittsöffnung austreten. Bei festem Durchmesser der Austrittsöffnung ist die wichtigste Stellgröße während des Druckvorgangs die auf die flüssige Phase ausgeübte Kraft, bzw. der in diese flüssige Phase eingeleitete Druck. Die US 2016/046 073 A1 offenbart, dass sich über den Druck unter anderem die von der Austrittsöffnung auf die flüssige Phase ausgeübte Scherkraft sowie die Viskosität der flüssigen Phase einstellen lassen.Typically, the liquid phase of the starting material is expelled by exerting a force or a pressure from an outlet opening, so that it attaches to the object to be produced and solidifies there. The liquid phase of the starting material may optionally exit from the outlet opening as a continuous strand or in the form of individual drops. With a fixed diameter of the outlet opening, the most important control variable during the printing process is the force exerted on the liquid phase, or the pressure introduced into this liquid phase. The US 2016/046 073 A1 discloses that, among other things, the shear force exerted by the outlet opening on the liquid phase as well as the viscosity of the liquid phase can be adjusted via the pressure.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Druckkopf für einen 3D-Drucker entwickelt. Dieser Druckkopf enthält ein Reservoir zur Aufnahme einer flüssigen Phase eines in seiner Viskosität veränderlichen Ausgangsmaterials. Es sind Mittel zur Veränderung des Drucks p im Reservoir vorgesehen sind. Das Reservoir weist mindestens eine Austrittsöffnung auf, aus der die flüssige Phase des Ausgangsmaterials durch Erhöhung des Drucks im Reservoir in Richtung auf das herzustellende Objekt austreibbar ist.Within the scope of the invention, a print head for a 3D printer has been developed. This printhead includes a reservoir for receiving a liquid phase of a variable in its viscosity starting material. There are provided means for changing the pressure p in the reservoir. The reservoir has at least one outlet opening from which the liquid phase of the starting material can be expelled by increasing the pressure in the reservoir in the direction of the object to be produced.

Erfindungsgemäß ist im Bereich der Austrittsöffnung ein Drucksensor für den Druck p_L, und/oder ein Temperatursensor für die Temperatur T_L der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials, angeordnet.According to the invention, a pressure sensor for the pressure p _L , and / or a temperature sensor for the temperature T _{L of} the liquid phase of the starting material are arranged in the region of the outlet opening.

Es wurde erkannt, dass der Druck p_L der primäre Parameter ist, der über den Massenstrom Q an Ausgangsmaterial aus der Austrittsöffnung entscheidet. Hierbei ist der Wert des Drucks p_L an der Austrittsöffnung maßgeblich. Der an der Austrittsöffnung herrschende Druck p_L kann sich deutlich von dem Druck p unterscheiden, der beispielsweise am anderen Ende des Reservoirs in die flüssige Phase des Ausgangsmaterials eingeleitet wird. Die meisten in 3D-Druckern verwendeten Materialien sind thermoplastisch und daher komprimierbar. Liegt beispielsweise der Durchmesser der Austrittsöffnung in der Größenordnung 100 µm, so dass Strukturen mit einer Genauigkeit von ± 50 µm gedruckt werden können, so sind hohe Drücke p um die 1500 bar erforderlich, um das Ausgangsmaterial durch die Austrittsöffnung zu treiben. Bei Drücken p in dieser Größenordnung ist die Komprimierbarkeit des Ausgangsmaterials in einem Maße relevant, dass eine Bestimmung des Massenstroms Q anhand eines weit entfernt von der Austrittsöffnung in das Ausgangsmaterial eingeleiteten Drucks p zu ungenau ist.It has been recognized that the pressure p _{L is} the primary parameter which decides the mass flow Q of starting material from the outlet opening. In this case, the value of the pressure p _L at the outlet opening is decisive. The pressure p _L prevailing at the outlet opening may differ significantly from the pressure p, which is introduced into the liquid phase of the starting material, for example, at the other end of the reservoir. Most materials used in 3D printers are thermoplastic and therefore compressible. If, for example, the diameter of the outlet opening is of the order of 100 μm, so that structures with an accuracy of ± 50 μm can be printed, high pressures p of around 1500 bar are required in order to drive the starting material through the outlet opening. At pressures p of this order of magnitude, the compressibility of the starting material is relevant to an extent such that a determination of the mass flow Q from a pressure p introduced far from the exit orifice into the feedstock is too inaccurate.

Die funktionelle Angabe „im Bereich der Austrittsöffnung“ ist somit dahingehend zu verstehen, dass der Druck p_L an dem Ort, an dem er von dem Drucksensor gemessen wird, sich von dem Druck p an der Austrittsöffnung nur so unwesentlich unterscheidet, dass dieser Unterschied noch eine Bestimmung des Massenstroms Q mit der für die jeweilige Anwendung geforderten Genauigkeit zulässt. Welche Entfernung des Drucksensors von der Austrittsöffnung maximal zulässig ist, richtet sich also sowohl nach der Genauigkeitsanforderung an die Bestimmung des Massenstroms Q als auch nach der Komprimierbarkeit, speziell nach dem Elastizitätsmodul, des Ausgangsmaterials.The functional statement "in the region of the outlet opening" is thus to be understood that the pressure p _L at the location where it is measured by the pressure sensor differs only insignificantly from the pressure p at the outlet opening, that this difference still allows a determination of the mass flow Q with the required accuracy for each application. Which distance of the pressure sensor from the outlet opening is maximally permissible, thus depends both on the accuracy requirement to the determination of the mass flow Q and after the compressibility, especially after the modulus of elasticity, of the starting material.

Selbst wenn der Druck p_L in der einfachsten Ausführungsform gar nicht mehr im Hinblick auf den Massenstrom Q ausgewertet wird, ermöglicht seine Messung bzw. Überwachung bereits eine Qualitätskontrolle. Ist beispielsweise der Druck p_L im Verlauf des Druckprozesses in gewissen Grenzen konstant geblieben, so kann dies als Signal dafür gewertet werden, dass der Druckprozess qualitativ vergleichsweise hochwertig ist. Starke Schwankungen im Druck p_L können hingegen als Signal dafür gewertet werden, dass während des Druckprozesses Probleme aufgetreten sind. Somit kann das hergestellte Objekt beispielsweise als Ausschuss gekennzeichnet werden. Bei Unterschreiten einer bestimmten Mindestqualität kann der Druckprozess auch abgebrochen werden, um keine weitere Zeit und kein weiteres Ausgangsmaterial in ein nicht mehr zu rettendes Objekt zu investieren.Even if the pressure p _L in the simplest embodiment is no longer evaluated with respect to the mass flow Q, its measurement or monitoring already enables a quality control. If, for example, the pressure p _L has remained constant within certain limits during the printing process, this can be regarded as a signal that the printing process is of comparatively high quality. Strong fluctuations in pressure p _L , on the other hand, can be taken as a signal that problems have occurred during the printing process. Thus, the manufactured object can be marked, for example, as a reject. If the quality falls below a certain minimum, the printing process can also be interrupted so that no further time or material is invested in an object that is no longer to be rescued.

Dies ist insbesondere beim Einsatz des 3D-Drucks in der industriellen Fertigung wichtig, wo eine Qualitätssicherungsstrategie in der Regel zwingend erforderlich ist, damit ein Fertigungsprozess zertifiziert werden kann.This is particularly important in the use of 3D printing in industrial manufacturing, where a quality assurance strategy is usually mandatory for a manufacturing process to be certified.

Nach dem bisherigen Stand der Technik gab es keine Möglichkeit, einen laufenden Druckvorgang als „gut“ oder „schlecht“ zu beurteilen, wenn die Mängel sich nicht augenscheinlich an der Form des Objekts zeigten. Insbesondere Festigkeitsmängel an einem Objekt, das augenscheinlich die gewünschte Form hat, ließen sich erst am fertigen Objekt, bzw. beim Versagen desselben im Gebrauch, feststellen. In the prior art, there was no way to judge a running print as "good" or "bad" if the flaws did not appear evident in the shape of the object. In particular, lack of strength on an object, which apparently has the desired shape, could be found only on the finished object, or the failure of the same in use.

Eine zusätzliche Messung der Temperatur T_L ermöglicht es, bei der Bestimmung des Massenstroms Q auch die Temperaturabhängigkeit der Viskosität des Ausgangsmaterials zu berücksichtigen. Für die Qualität des hergestellten Objekts ist die Kontrolle der Temperatur T_L, insbesondere in Form einer konstanten und genauen Regelung, sogar wichtiger, um eine thermische Degradation des Ausgangsmaterials zu vermeiden. Insofern kann beispielsweise der Drucksensor bei einer günstigen Variante des Druckkopfes entfallen.An additional measurement of the temperature T _L makes it possible to take into account in the determination of the mass flow Q and the temperature dependence of the viscosity of the starting material. For the quality of the manufactured object, the control of the temperature T _L , especially in the form of a constant and accurate control, is even more important in order to avoid thermal degradation of the starting material. In this respect, for example, the pressure sensor can be omitted in a favorable variant of the print head.

Für die besagte Funktion des Drucksensors, und/oder des Temperatursensors, ist es unerheblich, aus welcher Quelle der Druckkopf die flüssige Phase des Ausgangsmaterials erhält. Das Ausgangsmaterial kann beispielsweise mit einer externen Heizquelle plastifiziert werden, und seine flüssige Phase kann dem Druckkopf zugeführt werden.For the said function of the pressure sensor, and / or the temperature sensor, it does not matter from which source the print head receives the liquid phase of the starting material. For example, the starting material may be plasticized with an external heating source, and its liquid phase may be supplied to the printhead.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind jedoch eine Zuführung für eine feste Phase des Ausgangsmaterials und eine Plastifizierungszone mit einer Heizung zur Überführung der festen Phase des Ausgangsmaterials in die flüssige Phase vorgesehen. Dann befindet sich das Ausgangsmaterial nur für eine kurze Zeit im flüssigen Zustand, so dass es in geringerem Umfang thermisch degradiert.In a particularly advantageous embodiment of the invention, however, a feed for a solid phase of the starting material and a plasticizing zone with a heater for transferring the solid phase of the starting material are provided in the liquid phase. Then, the starting material is in the liquid state only for a short time, so that it degrades thermally to a lesser extent.

Die Zuführung kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, den Druck p im Reservoir durch Vorschub, und/oder durch Rückzug, der festen Phase des Ausgangsmaterials zu verändern. Beispielsweise kann bei einem 3D-Drucker nach dem FDM-Prinzip (Fused Deposition Modelling) die feste Phase des Ausgangsmaterials als Filament vorliegen. Wenn die Querschnittsgeometrien des Reservoirs und des Filaments so aufeinander abgestimmt sind, dass das feste Ende des Filaments das Reservoir dichtend begrenzt, dann wird durch den Vorschub des Filaments die flüssige Phase des Ausgangsmaterials aus der Austrittsöffnung gedrückt. Ebenso kann ein Unterdruck erzeugt werden, indem das Filament zurückgezogen wird.For example, the supply may be designed to change the pressure p in the reservoir by advancing, and / or by retreating, the solid phase of the starting material. For example, in a 3D printer according to the FDM (Fused Deposition Modeling) principle, the solid phase of the starting material can be present as filament. If the cross-sectional geometries of the reservoir and the filament are coordinated so that the solid end of the filament sealingly limits the reservoir, then the advancement of the filament forces the liquid phase of the starting material out of the exit orifice. Likewise, a negative pressure can be generated by the filament is withdrawn.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Reservoir durch einen Kolben begrenzt. Der Druck im Reservoir ist dann durch Vorschub, und/oder durck Rückzug, des Kolbens veränderbar.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the reservoir is limited by a piston. The pressure in the reservoir is then variable by advancing, and / or durck withdrawal, the piston.

Mit einem derartigen Kolbenextruder kann die Zuführung der festen Phase des Ausgangsmaterials von der Druckerzeugung im Reservoir entkoppelt werden, so dass der Druck im Reservoir ein unabhängiger Freiheitsgrad wird und insbesondere wesentlich höhere Drücke erzielt werden können. Bei FDM-Druckern mit Filament sind etwa 50-100 bar möglich, mit einem Kolbenextruder hingegen auch 1500 bar oder mehr.With such a piston extruder, the supply of the solid phase of the starting material can be decoupled from the pressure generation in the reservoir, so that the pressure in the reservoir becomes an independent degree of freedom and in particular much higher pressures can be achieved. For FDM printers with filament about 50-100 bar are possible, with a piston extruder, however, even 1500 bar or more.

Dies wird damit erkauft, dass ein Kolbenextruder zyklisch arbeitet. Wenn die flüssige Phase des Ausgangsmaterials durch Vorschub des Kolbens aus der Austrittsöffnung extrudiert wird, wird der Kolben irgendwann eine vordere Endstellung erreichen. Der Kolben muss dann zurückgezogen werden, um neues festes Ausgangsmaterial nachzufüllen. Indem der Druck p_L gemessen wird, kann nach dem Nachfüllen der zuvor verwendete Druck p_L wieder exakt eingestellt werden. Dadurch wird zum einen vermieden, dass sich der Massenstrom Q ungewollt ändert und es insoweit im hergestellten Objekt zu Versetzungen kommt, d.h. dass man dem hergestellten Objekt ansieht, dass der Druckprozess für das Nachfüllen unterbrochen wurde. Zum anderen werden die Nebenzeiten des Nachfüllens vermindert.This is bought with the fact that a piston extruder works cyclically. If the liquid phase of the starting material is extruded by advancing the piston from the outlet opening, the piston will eventually reach a front end position. The piston must then be withdrawn to refill new solid feedstock. By measuring the pressure p _L , after the refilling, the previously used pressure p _{L can} again be set exactly. This avoids, on the one hand, that the mass flow Q unintentionally changes and, to that extent, dislocations occur in the manufactured object, ie that one looks at the manufactured object that the printing process for refilling has been interrupted. On the other hand, the non-productive times of refilling are reduced.

Vorteilhaft ist ein Wegmesssystem für den Vorschub und/oder Rückzug der festen Phase des Ausgangsmaterials, und/oder des Kolbens, vorgesehen. Alternativ oder auch in Kombination hierzu ist vorteilhaft ein Sensor für die von der festen Phase des Ausgangsmaterials, und/oder vom Kolben, ausgeübte Kraft F_F, und/oder für einen auf den Kolben ausgeübten Hydraulikdruck, vorgesehen. Diese Einrichtungen können verwendet werden, um die durch die Austrittsöffnung extrudierte Menge an Ausgangsmaterial genau zu dosieren. In Verbindung mit der Messung des Drucks p_L kann es hier insbesondere automatisch ausgeregelt werden, wenn das Ausgangsmaterial kompaktiert wird. Liegt die feste Phase des Ausgangsmaterials beispielsweise als Granulat vor, so kann beim Zusammendrücken einer Schüttung aus dem Granulat in einem Kolbenextruder die in der Schüttung enthaltene Luft entweichen. Der Kolben bewegt sich dann, ohne dass sich der Druck p_L erhöht.Advantageously, a displacement measuring system for the advance and / or retraction of the solid phase of the starting material, and / or the piston, is provided. Alternatively or in combination, a sensor is advantageously provided for the force F _F exerted by the solid phase of the starting material, and / or by the piston, and / or for a hydraulic pressure exerted on the piston. These devices can be used to accurately meter the amount of starting material extruded through the exit orifice. In connection with the measurement of the pressure p _L , it can be compensated here in particular automatically when the starting material is compacted. If the solid phase of the starting material is present, for example, as granules, the air contained in the bed can escape when a bed of granules in a piston extruder is compressed. The piston then moves without the pressure p _L increasing.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Drucksensor einen in das Reservoir geführten Stößel und einen außerhalb des Reservoirs angeordneten Kraftsensor, auf den der Stößel wirkt. Der Stößel kann insbesondere aus einem wärmeisolierenden Material, wie beispielsweise einer Keramik, sein. Auf diese Weise wird der Kraftsensor von der hohen Temperatur in der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials entlastet und somit geschont. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the pressure sensor comprises a plunger guided into the reservoir and a force sensor arranged outside the reservoir, on which the plunger acts. The plunger may in particular be made of a heat-insulating material, such as a ceramic. In this way, the force sensor is relieved of the high temperature in the liquid phase of the starting material and thus spared.

Insbesondere piezoelektrische Sensoren sind temperaturempfindlich. Sie depolarisieren bei zu starker Erwärmung. In particular, piezoelectric sensors are temperature sensitive. They depolarize when heated too much.

Wenn der Stößel beweglich durch die Wand des Reservoirs geführt ist, entsteht prinzipiell ein Spalt. Ein solcher Spalt kann mit Dichtungen abgedichtet sein, wobei diese Dichtungen durch die flüssige Phase des Ausgangsmaterials stark temperaturbelastet sind. Derartige Dichtungen lassen sich aber vorteilhaft durch geeignete Konstruktion des Reservoirs entbehrlich machen, beispielsweise, indem das Reservoir gegen die Umgebung wärmeisoliert ist. Entlang des Verlaufs des Spalts vom Inneren des Reservoirs in die Umgebung gibt es dann einen Punkt, an dem das aus dem Inneren des Reservoirs eindringende flüssige Ausgangsmaterial so viskos wird, dass sein weiteres Vordringen gestoppt wird.When the plunger is movably guided through the wall of the reservoir, a gap is created in principle. Such a gap may be sealed with gaskets, these gaskets being highly temperature-stressed by the liquid phase of the starting material. However, such seals can be advantageously made unnecessary by suitable design of the reservoir, for example, by the reservoir is thermally insulated from the environment. Along the course of the gap from the interior of the reservoir into the environment, there is then a point at which the liquid starting material entering from the interior of the reservoir becomes so viscous that its further advance is stopped.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist am Druckkopf, und/oder an einem den Druckkopf enthaltenden 3D-Drucker, eine Auswerteeinheit vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, aus dem Druck p_L, und/oder der Temperatur T_L, eine Volumenzunahme ΔV₊ der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials bei Entspannung durch die Austrittsöffnung auszuwerten. Die Erfinder haben erkannt, dass es für die Genauigkeit der auf das herzustellende Objekt aufgebrachten Strukturen nicht maßgeblich ist, was genau an Material die Austrittsöffnung verlässt. Vielmehr ist maßgeblich, was auf dem herzustellenden Objekt ankommt. Da die Erfindung es ermöglicht, das Ausgangsmaterial mit wesentlich höheren Drücken durch kleine Austrittsöffnungen zu treiben als dies nach dem bisherigen Stand der Technik möglich war, wird die Volumenzunahme ΔV₊ durch die Entspannung dieser hohen Drücke zu einem für die tatsächlich hergestellte Strukturgröße relevanten Effekt. Beispielsweise kann auf Veranlassung der Auswerteeinheit der Kolbenvorschub um einen Betrag vermindert werden, der zu der Volumenzunahme ΔV₊ korrespondiert. Auf diese Weise kann beispielsweise auf dem herzustellenden Objekt ein Strang aus Ausgangsmaterial abgelegt werden, der 100 µm ± 5 µm Durchmesser aufweist.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, an evaluation unit is provided on the print head, and / or on a 3D printer containing the print head, which is designed, from the pressure p _L , and / or the temperature T _L , a volume increase .DELTA.V _{+ Evaluate} the liquid phase of the starting material in relaxation through the outlet opening. The inventors have recognized that it is not decisive for the accuracy of the structures applied to the object to be produced, which exactly leaves the exit opening on the material. Rather, what matters on the object to be manufactured is decisive. Since the invention makes it possible to drive the starting material at much higher pressures through small outlet openings than was possible in the prior art, the volume increase .DELTA.V ₊ by the relaxation of these high pressures to a relevant effect for the structure size actually produced effect. For example, at the instigation of the evaluation unit, the piston advance can be reduced by an amount that corresponds to the volume increase .DELTA.V ₊ . In this way, for example, a strand of starting material can be deposited on the object to be produced, which has 100 microns ± 5 microns in diameter.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteeinheit zusätzlich dazu ausgebildet, aus der Temperatur T_L eine Volumenschwindung ΔV_- der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials beim Erstarren nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung auszuwerten. So kann beispielsweise auf dem Objekt ein Strang aus Ausgangsmaterial abgelegt werden, der zunächst einen Durchmesser von 105 µm hat und beim Erstarren exakt auf den gewünschten Durchmesser von 100 µm schrumpft.In a further advantageous embodiment of the invention, the evaluation unit is additionally designed to evaluate from the temperature T _L a volume shrinkage .DELTA.V _- the liquid phase of the starting material upon solidification after exiting the outlet opening. Thus, for example, a strand of starting material can be deposited on the object, which initially has a diameter of 105 μm and, upon solidification, shrinks exactly to the desired diameter of 100 μm.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteeinheit zusätzlich dazu ausgebildet, den Energiestrom E auszuwerten, den die durch die Austrittsöffnung hindurchtretende flüssige Phase des Ausgangsmaterials transportiert. Auf diese Weise kann der Wärmehaushalt im herzustellenden Objekt insgesamt überwacht werden, so dass weitere Druckstrategien und Bahnbewegungen des Druckkopfes angepasst werden können. Beispielsweise kann es bei der Herstellung eines ausgedehnten Objekts erforderlich sein, den Druckvorgang an einer Position zu unterbrechen und nach dem Verfahren des Druckkopfes an eine andere Position fortzusetzen. Wird der Energiestrom E ausgewertet, so kann beispielsweise erkannt werden, dass die Position, an der der Druckvorgang fortgesetzt werden soll, sich auf Grund thermischer Effekte verschoben hat und entsprechend zu reagieren ist. Hierbei kann insbesondere auch der Energieabfluss aus dem Objekt durch Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung berücksichtigt werden.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the evaluation unit is additionally designed to evaluate the energy flow E which is transported by the liquid phase of the starting material passing through the outlet opening. In this way, the overall heat balance in the object to be produced can be monitored, so that further printing strategies and path movements of the print head can be adapted. For example, in the manufacture of an expanded object, it may be necessary to stop printing at one position and continue to another position after the printhead moves. If the energy flow E is evaluated, it can be recognized, for example, that the position at which the printing process should be continued has shifted due to thermal effects and must be reacted accordingly. In this case, in particular, the energy discharge from the object by heat conduction and / or thermal radiation can also be taken into account.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteeinheit zusätzlich dazu ausgebildet, den durch die Austrittsöffnung hindurchtretenden Massenstrom Q des Ausgangsmaterials unter Berücksichtigung des Vorschubs und/oder Rückzugs der festen Phase des Ausgangsmaterials, und/oder des Kolbens, und/oder aus der von der festen Phase des Ausgangsmaterials, bzw. vom Kolben, ausgeübten Kraft F_F, auszuwerten. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Dosierung, und insbesondere der auf dem Objekt hergestellten Strukturgrößen, noch weiter verbessert werden.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the evaluation unit is additionally designed to the passing through the outlet opening mass flow Q of the starting material, taking into account the advancement and / or retraction of the solid phase of the starting material, and / or the piston, and / or from the the solid phase of the starting material, or by the piston, applied force F _F , evaluate. In this way, the accuracy of the dosage, and in particular of the structure sizes produced on the object, can be further improved.

Damit die von den Sensoren gemessenen, bzw. von der Auswerteeinheit ausgewerteten, Größen sich letzten Endes in einer präziseren Fertigung von Strukturen des herzustellenden Objekts niederschlagen, können diese Größen insbesondere in eine aktive Prozessregelung zurückgekoppelt sein. Daher ist in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein Regler vorgesehen, der den Druck p_L, und/oder die Temperatur T_L, und/oder den durch die Austrittsöffnung hindurchtretenden Massenstrom Q, der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials als Rückkopplung erhält und durch Einwirkung auf mindestens eine Stellgröße des Druckkopfes, und/oder des 3D-Druckers, auf einen Sollwert regelt.In order for the quantities measured by the sensors or evaluated by the evaluation unit ultimately to be reflected in a more precise production of structures of the object to be produced, these quantities can be fed back in particular into an active process control. Therefore, in a further particularly advantageous embodiment of the invention, a regulator is provided which receives the pressure p _L , and / or the temperature T _L , and / or passing through the outlet opening mass flow Q, the liquid phase of the starting material as feedback and by action to at least one manipulated variable of the print head, and / or the 3D printer, to a target value.

Geeignete Stellgrößen sind beispielsweise die Vorschubkraft, und/oder die Vorschubgeschwindigkeit, des Ausgangsmaterials, und/oder des Kolbens. Änderungen an diesen Größen sind am schnellsten auf den Druck p_L wirksam. Sie wirken weiterhin auch vergleichsweise schnell auf die Temperatur T_L, indem Ausgangsmaterial nicht von einer ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur gebracht werden muss, sondern teilweise durch Ausgangsmaterial auf einer zweiten Temperatur ersetzt wird. Ansonsten kann die Temperatur T_L insbesondere durch Ansteuerung einer Heizung verändert werden, wobei die Wärmekapazität des Ausgangsmaterials, und/oder des Reservoirs, hier eine Trägheit in den Regelkreis einbringt.Suitable manipulated variables are, for example, the feed force, and / or the feed rate, of the starting material, and / or of the piston. Changes to these quantities are most effective on the pressure p _L. They also continue to act comparatively quickly to the temperature T _L by starting material must not be brought from a first temperature to a second temperature, but partially replaced by starting material at a second temperature becomes. Otherwise, the temperature T _L can be changed in particular by controlling a heater, wherein the heat capacity of the starting material, and / or the reservoir, here introduces inertia in the control loop.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to figures.

Figurenlistelist of figures

Es zeigt:

1 3D-Drucker nach dem FDM-Prinzip als erstes Ausführungsbeispiel des 3D-Druckers 50 gemäß der Erfindung;
2 3D-Drucker mit Kolbenextruder als zweites Ausführungsbeispiel des 3D-Druckers 50 gemäß der Erfindung.

It shows:

1 3D printer according to the FDM principle as a first embodiment of the 3D printer 50 according to the invention;
2 3D printer with a piston extruder as a second embodiment of the 3D printer 50 according to the invention.

Nach 1 wird dem 3D-Drucker 50 die feste Phase 31 des Ausgangsmaterials 3 als Filament zugeführt, das über eine aus zwei Zahnrädern bestehende Zuführung 11 angetrieben und in den Druckkopf 1 eingezogen wird. Die feste Phase 31 des Ausgangsmaterials 3 wird in die Plastifizierungszone 12 gedrückt, die mit der Heizung 13 versehen ist. In der Plastifizierungszone 12 bildet sich die flüssige Phase 32 des Ausgangsmaterials 3.To 1 The 3D printer 50 becomes the solid phase 31 of the starting material 3 supplied as a filament, which via a two gears existing feed 11 powered and in the printhead 1 is withdrawn. The solid phase 31 of the starting material 3 gets into the plasticizing zone 12 pressed that with the heater 13 is provided. In the plasticization zone 12 the liquid phase forms 32 of the starting material 3 ,

Unterhalb der Plastifizierungszone 12 befindet sich das Reservoir 2, das mit einer Wärmeisolierung 15 versehen ist. Durch den Vorschub der festen Phase 31 des Ausgangsmaterials 2 wird ein Druck p in dem Reservoir 2 erzeugt. Die Zuführung 11 bildet somit zugleich die Mittel 4 zur Änderung des Drucks p im Reservoir 2.Below the plasticizing zone 12 is the reservoir 2 that with a thermal insulation 15 is provided. By feeding the solid phase 31 of the starting material 2 becomes a pressure p in the reservoir 2 generated. The feeder 11 thus forms at the same time the means 4 to change the pressure p in the reservoir 2 ,

Das Reservoir 2 läuft im Bereich 5a der Austrittsöffnung 5 düsenartig zu. Das durch die Austrittsöffnung hindurchtretende Material 33 wird in Richtung auf das herzustellende Objekt 6 abgegeben, das auf einer mit einer Positioniereinheit 62 in den drei Raumrichtungen x, y und z verfahrbaren Grundplatte 61 aufgebaut wird. Das austretende Material 33 transportiert einen Massenstrom Q und einen Energiestrom E.The reservoir 2 runs in the area 5a the outlet opening 5 nozzle-like too. The material passing through the outlet opening 33 will be in the direction of the object to be produced 6 delivered on one with a positioning unit 62 in the three spatial directions x, y and z movable base plate 61 is built. The leaking material 33 transports a mass flow Q and an energy flow E.

Im Bereich 5a der Austrittsöffnung 5 sind ein Drucksensor 7 für den Druck p_L und ein Temperatursensor 8 für die Temperatur T_L der flüssigen Phase 32 des Ausgangsmaterials 3 angeordnet. Dabei besteht der Drucksensor 7 aus einem durch die Wärmeisolierung 15 in das Reservoir 2 geführten Stößel 71 und einem Kraftsensor 72, auf den der Stößel 71 wirkt. Der gemessene Druck p_L und die gemessene Temperatur T_L werden an eine Auswerteeinheit 9 weitergegeben. Die Auswerteeinheit 9 berechnet die Volumenzunahme ΔV₊, die Volumenschwindung ΔV_-, den Massenstrom Q sowie den Energiestrom E.In the area 5a the outlet opening 5 are a pressure sensor 7 for the pressure p _L and a temperature sensor 8th for the temperature T _{L of} the liquid phase 32 of the starting material 3 arranged. There is the pressure sensor 7 from a through the heat insulation 15 in the reservoir 2 guided pestle 71 and a force sensor 72 on which the pestle 71 acts. The measured pressure p _L and the measured temperature T _L are sent to an evaluation unit 9 passed. The evaluation unit 9 calculates the volume increase ΔV ₊ , the volume shrinkage ΔV _- , the mass flow Q and the energy flow E.

2 zeigt einen weiteren 3D-Drucker 50, der einen Kolbenextruder aufweist. Die feste Phase 31 des Ausgangsmaterials 3 liegt als Granulat vor, das über einen Einfülltrichter 11 zugeführt wird. Wird der Kolben 21 im Druckkopf 1 zurückgezogen (in 2 nach oben), rieselt festes Ausgangsmaterial 31 aus dem Einfülltrichter 11 nach. Wird der Kolben 21 anschließend vorgeschoben (in 2 nach unten), wird das feste Ausgangsmaterial 31 in die mit der Heizung 13 versehene Plastifizierungszone 12 gedrückt. In der Plastifizierungszone 12 bildet sich die flüssige Phase 32 des Ausgangsmaterials 3. 2 shows another 3D printer 50 having a piston extruder. The solid phase 31 of the starting material 3 is available as granules via a hopper 11 is supplied. Will the piston 21 in the printhead 1 withdrawn (in 2 to the top), solid starting material trickles 31 from the hopper 11 to. Will the piston 21 subsequently advanced (in 2 down), becomes the solid starting material 31 in the one with the heater 13 provided plasticization zone 12 pressed. In the plasticization zone 12 the liquid phase forms 32 of the starting material 3 ,

Das Reservoir 2 ist analog zu 1 aufgebaut und mündet in die Austrittsöffnung 5, aus der Ausgangsmaterial 33 ausgetragen wird, um sich am Objekt 6 auf der Grundplatte 61 anzulagern. Der Drucksensor 7 und der Temperatursensor 8 sind analog zu 1 aufgebaut und mit der Auswerteeinheit 9 verbunden. Im Unterschied zu 1 wird der Druck p im Reservoir 2 durch den Vorschub des Kolbens 21 erzeugt. Die Antriebsquelle des Kolbens 21 bildet also die Mittel 4 zur Erzeugung des Drucks p im Reservoir 2.The reservoir 2 is analogous to 1 built up and opens into the outlet 5 , from the starting material 33 is discharged to the object 6 on the base plate 61 attach. The pressure sensor 7 and the temperature sensor 8th are analogous to 1 constructed and with the evaluation unit 9 connected. In contrast to 1 the pressure p in the reservoir 2 by the advance of the piston 21 generated. The drive source of the piston 21 forms the means 4 for generating the pressure p in the reservoir 2 ,

Zusätzlich sind noch ein Wegmesssystem 22 für die Position s des Kolbens 21 im Druckkopf 1 sowie ein Kraftsensor 23 für die vom Kolben 21 ausgeübte Kraft F_F vorgesehen. Die Auswerteeinheit 9 erhält also neben dem Druck p_L und der Temperatur T_L der flüssigen Phase 32 des Ausgangsmaterials 3 noch die Positon s sowie die Kraft F_F. p_L und T_L werden außerdem direkt an den Regler 10 weitergegeben, der mit der Stellgröße 14 auf die Antriebsquelle 4 des Kolbens 21 einwirkt. Damit ist der Regler 10 in der Lage, p_L und/oder T_L auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln.In addition, there is a distance measuring system 22 for the position s of the piston 21 in the printhead 1 and a force sensor 23 for the piston 21 applied force F _F provided. The evaluation unit 9 Thus, in addition to the pressure p _L and the temperature T _{L of} the liquid phase 32 of the starting material 3 still the positon s and the force F _F. p _L and T _L are also sent directly to the controller 10 passed on with the manipulated variable 14 on the drive source 4 of the piston 21 acts. This is the controller 10 able to control p _L and / or T _L to a predetermined setpoint.

Weiterhin erhält der Regler 10 auch die von der Auswerteeinheit 9 ermittelten Größen ΔV₊, ΔV_-, Q und E. Der Regler 10 ist somit auch in der Lage, eine oder mehrere dieser Größen auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln.Furthermore, the controller receives 10 also from the evaluation unit 9 determined variables ΔV ₊ , ΔV _- , Q and E. The controller 10 is thus also able to regulate one or more of these variables to a predetermined desired value.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2016046073 A1 [0003]

Claims

A printing head (1) for a 3D printer (50), comprising a reservoir (2) for receiving a liquid phase (32) of a viscosity-variable starting material (3), wherein means (4) for changing the pressure p in the reservoir (50). 2) are provided and wherein the reservoir (2) has at least one outlet opening (5) from which the liquid phase (32) of the starting material (3) by increasing the pressure p in the reservoir (2) in the direction of the object to be produced (6 ) is expelled, characterized in that in the region (5a) of the outlet opening (5), a pressure sensor (7) for the pressure p _L , and / or a temperature sensor (8) for the temperature T _{L of} the liquid phase (32) of the starting material (3) is arranged.

Printhead (1) to Claim 1 , characterized in that a feed (11) for a solid phase (31) of the starting material (3) and a plasticizing zone (12) with a heater (13) for transferring the solid phase (31) of the starting material (3) into the liquid Phase (32) is provided.

Printhead (1) to Claim 2 , characterized in that the supply (11) is adapted to change the pressure p in the reservoir (2) by advancing, and / or by withdrawal, the solid phase (31) of the starting material (3).

Printhead (1) after one of Claims 1 to 3 , characterized in that the reservoir (2) by a piston (21) is limited, so that the pressure p in the reservoir (2) by advancing and / or retreating of the piston (21) is variable.

Printhead (1) after one of Claims 3 to 4 , characterized in that a displacement measuring system (22) for the advance and / or retraction of the solid phase (31) of the starting material (3), and / or the piston, is provided.

Printhead (1) after one of Claims 3 to 5 , characterized in that a sensor (23) for the force F _F exerted by the solid phase (31) of the starting material (3), and / or by the piston (21), and / or on the piston (21) applied hydraulic pressure is provided.

Printhead (1) after one of Claims 1 to 6 , characterized in that the pressure sensor (7) comprises a plunger (71) guided into the reservoir (2) and a force sensor (72) arranged outside the reservoir (2), on which the plunger (71) acts.

Printhead (1) after one of Claims 1 to 7 or 3D printer (50) with a print head (1) according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that an evaluation unit (9) is provided, which is adapted from the pressure p _L , and / or the temperature T _L , a volume increase ΔV ₊ the liquid phase (32) of the starting material (3) by relaxation to evaluate the outlet opening (5).

Print head (1) or 3D printer (50) after Claim 8 , characterized in that the evaluation unit (9) is additionally designed to evaluate from the temperature T _L a volume shrinkage ΔV _- the liquid phase (32) of the starting material (3) upon solidification after exiting the outlet opening (5).

Print head (1) or 3D printer (50) according to one of Claims 8 to 9 , characterized in that the evaluation unit (9) is additionally designed to evaluate the energy flow E, which transports through the outlet opening (5) passing (33) liquid phase (32) of the starting material (3).

Print head (1) or 3D printer (50) after Claim 8 such as Claim 5 or 6 , characterized in that the evaluation unit (9) is additionally designed, the (33) mass flow Q of the starting material (3) passing through the outlet opening (5) taking into account the advance and / or retraction of the solid phase (31) of the starting material ( 3), and / or of the piston (21), and / or of the force F _F exerted by the solid phase (31) of the starting material or by the piston (21).

3D printer (50) with a print head (1) after one of Claims 1 to 11 , characterized in that a regulator (10) is provided, the pressure p _L , and / or the temperature T _L , and / or passing through the outlet opening (5) mass flow Q, the liquid phase (32) of the starting material ( 3) receives as feedback and by acting on at least one manipulated variable (14) of the print head (1), and / or the 3D printer (50), controls to a desired value.