DE202015103801U1 - 3D-MID printer - Google Patents
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Abstract
3D-Drucker für die Herstellung eines raumförmlichen Bauteils, welches mindestens ein elektrisches Funktionselement (5) enthält, mit einem ersten Bearbeitungskopf (1), der kunststoffhaltiges Grundmaterial zur Erzeugung einer halbfertigen Bauteil-Matrix (3) ohne elektrisches Funktionselement (5) thermisch erweichen kann, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Bearbeitungskopf (2) vorhanden ist, der das elektrische Funktionselement (5) in die raumförmliche Volumenstruktur der vom ersten Bearbeitungskopf (1) erzeugten halbfertigen Bauteil-Matrix (3) einbringen kann, und dass der erste Bearbeitungskopf (1) derart ausgebildet ist, dass er durch ein thermisches Erweichen von weiterem kunststoffhaltigen Grundmaterial das vom zweiten Bearbeitungskopf (2) eingebrachte elektrische Funktionselement (5) in die Bauteil-Matrix (3) einbetten kann.3D printer for the production of a spatial component, which contains at least one electrical functional element (5), with a first processing head (1), the plastic-containing base material for producing a semi-finished component matrix (3) without electrical functional element (5) can thermally soften , characterized in that at least one second machining head (2) is present, which can introduce the electrical functional element (5) into the space-shaped volume structure of the semi-finished component matrix (3) produced by the first machining head (1), and in that the first machining head ( 1) is designed such that it by thermal softening of further plastic-containing base material by the second machining head (2) introduced electrical functional element (5) in the component matrix (3) can embed.
Description
Die Erfindung betrifft einen Drucker für dreidimensional ausgedehnte Druckerzeugnisse (= ”3D-Drucker”) für die Herstellung eines raumförmlichen Bauteils, welches mindestens ein elektrisches Funktionselement enthält, mit einem ersten Bearbeitungskopf, der kunststoffhaltiges Grundmaterial zur Erzeugung einer halbfertigen Bauteil-Matrix ohne elektrisches Funktionselement thermisch erweichen kann.The invention relates to a printer for three-dimensionally extended printed products (= "3D printer") for the production of a space-shaped component containing at least one electrical functional element, with a first processing head, the plastic-containing base material for producing a semi-finished component matrix without electrical functional element thermally can soften.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Derartige 3D-Drucker sind in zahlreichen Fachartikeln beschrieben, beispielsweise in
Eingebettete Schaltungsträger sind bereits mittels der additiven Verfahren der Stereolithografie realisiert worden.Embedded circuit carriers have already been realized by means of the additive methods of stereolithography.
Daneben wurden auch bereits erste Ansätze zum Applizieren von Lotleiterbahnen und Leiterbahnen die auf einer Kupfer- oder Silberpaste basierend auf 3D-gedruckte Substrate publiziert.In addition, the first approaches to applying solder traces and traces have already been published on a copper or silver paste based on 3D printed substrates.
Alle bisher bekannten 3D-Drucker können jedoch ausschließlich mittels eines – ersten und bislang auch einzigen – Bearbeitungskopfes ein kunststoffhaltiges Grundmaterial thermisch erweichen und daraus eine – halbfertige – Bauteil-Matrix – nämlich ohne irgendein Funktionselement erzeugen. Diese Bauteil-Matrix kann dann, meist manuell, mit Funktionselementen, insbesondere mit elektrischen Funktionselementen, ausgestattet werden.However, all 3D printers known so far can thermally soften a plastic-containing base material exclusively by means of a first and so far also single machining head and from this produce a semi-finished component matrix-namely without any functional element. This component matrix can then be equipped, usually manually, with functional elements, in particular with electrical functional elements.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, einen gattungsgemäßen 3D-Drucker der eingangs beschriebenen Art mit möglichst einfachen und allgemein zur Verfügung stehenden technischen Mitteln sowie wirtschaftlich preisgünstig dahin gehend zu verbessern, dass ein schnelles und flexibles 3d-Drucken hybrider, mechatronischer Bauteile sowie ein automatisierbares Einbetten elektronischer, aber auch mechanischer und optischer Funktionskomponenten sowie anderen raumförmlichen Baugruppen ermöglicht wird.Object of the present invention is in contrast to improve a generic 3D printer of the type described above with as simple and generally available technical means as well as economically priced to go that fast and flexible 3d printing hybrid, mechatronic components and an automatable Embedding electronic, but also mechanical and optical functional components as well as other raumförmlichen assemblies is possible.
Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Erfindungsgemäß wird diese – genau betrachtet recht anspruchsvolle – Aufgabe auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, dass mindestens ein zweiter Bearbeitungskopf vorhanden ist, der das elektrische Funktionselement in die raumförmliche Volumenstruktur der vom ersten Bearbeitungskopf erzeugten halbfertigen Bauteil-Matrix einbringen kann, und dass der erste Bearbeitungskopf derart ausgebildet ist, dass er durch ein thermisches Erweichen von weiterem kunststoffhaltigen Grundmaterial das vom zweiten Bearbeitungskopf eingebrachte elektrische Funktionselement in die Bauteil-Matrix einbetten kann.According to the invention, this object is considered to be surprisingly simple and effective in a surprisingly simple and effective manner in that at least one second machining head is provided which can introduce the electrical functional element into the spatial volume structure of the semifinished component matrix produced by the first machining head. and that the first machining head is designed such that it can embed the introduced by the second processing head electrical functional element in the component matrix by thermal softening of further plastic-containing base material.
Allgemeine Wirkungsweise der ErfindungGeneral mode of operation of the invention
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine neuartige additive Prozesskette zur schnellen und flexiblen Fertigung von räumlichen elektronischen Baugruppen (= ”3D-MID”) mit integrierten Funktionselementen. Dabei wird auch eine Validierung der Prozesskette ermöglicht. Im Gegensatz zur 3D-MID Herstellung mittels Spritzguss, für die teure abformende Werkzeuge nötig sind, erfolgt die Bauteilherstellung über einen 3D-Druckprozess, der als Fused Deposition Modelling (= ”FDM”) bezeichnet wird. Die Leiterbahnerzeugung wird ebenfalls additiv realisiert. Hierfür werden auch verschiedene inline-fähige Herstellungsmethoden ermöglicht, die keine nachträgliche Metallisierung benötigen. Vorzugsweise kommen zur Anwendung: Das Drahtvorschub-geregelte Laserstrahlschmelzen von Lötdraht – wie es in der
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Ansatz verfolgt die Herstellung von 3D-mechatronischen Schaltungsträgern mittels 3D-Druck und der Integration von Leiterbahnen (2D und 3D) und elektronischen Bauelementen innerhalb der Bauteilmatrix. Dies wird durch eine kurze zeitliche Unterbrechung des Bauprozesses erreicht, welcher anschließendes mit einem Applizieren der Leiterbahnen in die Bauteilmatrix wieder fortgeführt wird.The approach proposed according to the invention pursues the production of 3D mechatronic circuit carriers by means of 3D printing and the integration of printed conductors (2D and 3D) and electronic components within the component matrix. This is achieved by a short time interruption of the building process, which is subsequently continued with an application of the conductor tracks in the component matrix again.
Darüber hinaus sollen temperaturstabile Materialien wie ABS/PC oder PA verwenden werden, die derzeit in der Elektrotechnik Standard sind, im 3D-Druck allerdings bislang noch nicht, da die hohen Schmelzpunkte der Kunststoffe im Bereich der Extruder-Düse bei 3D-Druckern noch zu Komplikationen führen.In addition, temperature-stable materials such as ABS / PC or PA are to be used, which are currently standard in electrical engineering, but not yet in 3D printing, because the high melting points of the plastics in the area of the extruder nozzle in 3D printers still complications to lead.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass Produkte erstellt werden können (und sollen), die einem industriellen Standard entsprechen. Hierbei wird eine hohe Bauteilgenauigkeit sowie Reproduzierbarkeit erreicht und es werden Bauteile erstellt, die hermetisch dicht sind. Dies wird durch Produktqualifizierung anhand von standardisierten Testverfahren erreichen. Another aspect of the present invention is that products can (and should) be made that conform to an industrial standard. Here, a high component accuracy and reproducibility is achieved and it creates components that are hermetically sealed. This will be achieved through product qualification using standardized testing methods.
Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention
Ganz besonders bevorzugt ist eine Klasse von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen 3D-Druckers, die sich dadurch auszeichnen, dass der zweite Bearbeitungskopf eine Anordnung zum Drahtvorschub-geregelten Schmelzen von Lötdraht umfasst. Durch die Verwendung von feinen Band- und Drahtgeometrien sowie Lötdraht verschiedener Durchmesser als niedrig- und hochschmelzende Legierungen lassen sich die elektrischen Bahnen und Leiterzüge an die 3D-MID Produkte an innovative Anforderungen beliebig anpassen. Durch die Endlosfertigung der Band und Drahtgeführten Prozessen ist die Dimensionierung der räumlichen Produkte frei von mechanischen und elektrischen Grenzen. Die Drahtenden können abgeschnitten oder abgeschmolzen auf Ihren Anfangs- oder Endpunkt gesetzt werden.Very particularly preferred is a class of embodiments of the 3D printer according to the invention, which are characterized in that the second processing head comprises an arrangement for wire feed-controlled melting of solder wire. By using fine strip and wire geometries as well as solder wire of different diameters as low and high melting alloys, the electrical tracks and conductor tracks can be adapted to the innovative requirements of the 3D-MID products. Due to the continuous production of the strip and wire-guided processes, the dimensioning of the spatial products is free from mechanical and electrical limits. The wire ends can be truncated or fused to their starting or ending point.
In der Praxis bewähren sich besonders ganz spezielle Weiterbildungen dieser Klasse von Ausführungsformen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Anordnung zum Schmelzen von Lötdraht eine Vorschubeinrichtung zum linearen Vorschieben eines Drahtes längs einer Achsrichtung mittels einer Fördereinrichtung aufweist, die ein von einem Vortriebsmotor angetriebenes Förderrad umfasst, welches mit seinem drehenden Umfang gegen den zu fördernden Draht quer zu dessen Achsrichtung drückt, wobei auf der gegenüberliegenden Seite des Drahtes ein Sekundärrad als Gegendruckritzel angeordnet ist, das die Andruckkraft des Förderrades auf den durchlaufenden Draht drehend aufnimmt, mit einer Steuerungs- bzw. Regelungseinheit, die ein Ansteuersignal an die Fördereinrichtung abgibt, welches die durch die Fördereinrichtung bewirkte lineare Verschiebung des Drahtes beeinflusst, insbesondere regelt, wobei die Vorschubeinrichtung einen Halter umfasst, an dem zum einen eine Drahtspule montiert ist, von welcher der zu fördernde Draht abgewickelt wird, und an dem zum anderen der Vortriebsmotor befestigt ist, wobei das in Förderrichtung des Drahtes freie Drahtende in Förderrichtung auf eine Gegenfläche auftrifft und dabei eine in Gegenrichtung zur Förderrichtung wirkende Druckreaktionskraft aufnimmt und in Achsrichtung längs des Drahtes weiterleitet, wobei eine Sensoreinheit zur Messung der vom Draht aufgenommenen Druckreaktionskraft vorgesehen ist, wobei die Sensoreinheit einen elektromechanischen Sensor umfasst, der starr über den Halter mit der Vorschubeinrichtung verbunden ist und ein elektronisches Messsignal in Abhängigkeit von der gemessenen Druckreaktionskraft erzeugt, welches als Eingangssignal an die Steuerungs- bzw. Regelungseinheit weitergeleitet wird, und wobei die Steuerungs- bzw. Regelungseinheit aufgrund der gemessenen Druckreaktionskraft ein Ansteuersignal zur Steuerung bzw. Regelung der durch die Fördereinrichtung bewirkten linearen Verschiebung des Drahtes an die Fördereinrichtung abgibt.In practice, very special developments of this class of embodiments prove themselves, which are characterized in that the arrangement for melting solder wire has a feed device for linearly advancing a wire along an axial direction by means of a conveyor which comprises a feed wheel driven by a propulsion motor, which presses with its rotating circumference against the wire to be conveyed transversely to the axial direction, wherein on the opposite side of the wire, a secondary wheel is arranged as a counter-pressure pinion, which receives the pressing force of the feed wheel on the continuous wire rotating, with a control unit, which transmits, in particular regulates, a control signal to the conveying device which influences, in particular regulates, the linear displacement of the wire caused by the conveying device, wherein the feed device comprises a holder on which, on the one hand, a wire spool is mounted, from which the wire to be conveyed is unwound, and to which the propulsion motor is attached, wherein the wire end free in the conveying direction of the wire impinges in the conveying direction on a counter surface while receiving a force acting in the opposite direction to the conveying direction of pressure reaction and forwards in the axial direction along the wire wherein a sensor unit is provided for measuring the pressure reaction force received by the wire, the sensor unit comprising an electromechanical sensor rigidly connected to the feed device via the holder and generating an electronic measurement signal in response to the measured pressure reaction force which is input to the controller or control unit is forwarded, and wherein the control or regulating unit due to the measured pressure reaction force, a drive signal for controlling or caused by the conveyor linear displacement of the wire Send it to the conveyor.
Damit steht eine mechanisch unaufwändige, räumlich kompakte und kostengünstig herstellbare Vorschubeinrichtung mit einer feinfühligen und dauerhaft zuverlässigen, gegen äußere Störeinflüsse wie Verschmutzung und mechanische Reibung unempfindlichen Vorschubregelung in Abhängigkeit von der in Förderrichtung wirkenden Druckreaktionskraft zur Verfügung.This is a mechanically inexpensive, spatially compact and inexpensive to produce feed device with a sensitive and permanently reliable, insensitive to external disturbances such as pollution and mechanical friction feed control as a function of acting in the conveying direction pressure reaction force available.
Derartige Anordnungen zum Drahtvorschub-geregelten Schmelzen von Lötdraht sind an sich bekannt aus der
Eine zweite Klasse von besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der zweite Bearbeitungskopf eine Einrichtung zum Dispensen und anschließenden Sintern von Metallpartikelhaltigem Material umfasst. Durch die Verwendung von Dispensmaterial in verschiedener Ausführung als niedrig- und hochschmelzende Legierungen lassen sich die elektrischen Bahnen an die 3D-MID Produkte an innovative Anforderungen beliebig anpassen. Durch die Endlosfertigung von dispensgeführten Prozessen ist die Dimensionierung der räumlichen Produkte frei von mechanischen und elektrischen Grenzen. Die Dispensoberflächen können an- oder abgeschmolzen auf Ihren Anfangs- oder Endpunkt gesetzt werden. Die molekulare Vernetzung der Materialen kann einen elektrisch leitenden Haftgrund bilden.A second class of particularly preferred embodiments of the invention is characterized in that the second processing head comprises a device for dispensing and subsequent sintering of metal particle-containing material. By using dispensing material in various designs as low-melting and high-melting alloys, the electrical paths to the 3D-MID products can be adapted to meet innovative requirements. Due to the endless production of dispensing processes, the dimensioning of the spatial products is free of mechanical and electrical limits. The dispensing surfaces can be set on or off at their start or end points. The molecular crosslinking of the materials can form an electrically conductive primer.
Diese Ausführungsformen lassen sich noch verbessern durch Weiterbildungen, bei denen als Metallpartikelhaltiges Material eine Lotpaste, ein Leitkleber oder eine intrinsisch leitfähige Kunststoffpaste, insbesondere mit eingelagerten Kohlepartikeln oder Metallfasern, eingesetzt wird. Dabei bildet die molekulare Vernetzung von elektrisch leitfähig aufgetragenen Strukturen den optimalen Freiheitsgrad für die Entstehungsfähigkeit von 3D-MID Produkten. Diese Individualisierung findet als ein Anwendungsfeld besonders in der Medizintechnik Ihre Produktinnovation. Man stelle sich nur die schier unendliche Vielzahl von 3D-MID-ergonomisch angepassten Ohrimplantaten vor, die aus einer Kombination von 3D-Druck mit integrierter Leiterbahn und elektrischen Komponenten Einbettung entstehen können.These embodiments can be further improved by further developments in which a solder paste, a conductive adhesive or an intrinsically conductive plastic paste, in particular with embedded carbon particles or metal fibers, is used as the metal particle-containing material. The molecular cross-linking of electrically conductive structures forms the optimum degree of freedom for the developmental potential of 3D-MID products. This customization finds as one field of application especially in medical technology your product innovation. Just imagine the sheer endless variety of 3D-MID ergonomically adapted ear implants that can be created from a combination of 3D printing with integrated trace and electrical component embedding.
Besonders vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen 3D-Druckers, bei welchen zumindest ein Teil der thermischen Bearbeitung, insbesondere das Schmelzen von Lotdraht und das Sintern von Metallpartikelhaltigem Material mittels einer Laserstrahl-Anordnung erfolgt. Dieser berührungslose Punkt-, Kreis-, Linien- oder Freiform-Strahlengang lässt sich distanzgeführt, temperatur-pyrometrisch und prozessgeregelt auf die gewünschte 3D-MID Form einkoppeln. Durch beliebige Fokusabstände können sehr unterschiedlich hohe Produkt-Topographien mit integrierter elektrischer Funktionalität störkantenfrei aufgebaut werden. Embodiments of the 3D printer according to the invention in which at least part of the thermal processing, in particular the melting of solder wire and the sintering of metal particle-containing material by means of a laser beam arrangement, are also particularly advantageous. This non-contact point, circle, line or free-form beam path can be coupled in a distance-controlled, temperature-pyrometrically and process-controlled manner to the desired 3D-MID shape. Through arbitrary focal distances, very different product topographies with integrated electrical functionality can be constructed without interference edges.
Eine dritte Klasse von ergänzenden oder aber auch dazu alternativen Ausführungsformen zeichnet sich dadurch aus, dass ein dritter Bearbeitungskopf vorhanden ist, der weitere elektrische und/oder elektronische Funktionselemente vor dem Einbetten durch den ersten Bearbeitungskopf in die halbfertige Bauteil-Matrix einbringen kann. Damit kann eine noch höhere Komplexität des Herstellungsprozesses verwirklicht werden.A third class of supplementary or alternatively alternative embodiments is characterized in that a third machining head is provided which can introduce further electrical and / or electronic functional elements into the semi-finished component matrix before being embedded by the first machining head. This allows an even higher complexity of the manufacturing process can be realized.
Bei einer vierten Klasse von Ausführungsform des erfindungsgemäßen 3D-Druckers ist ein vierter Bearbeitungskopf vorhanden, der elektrische Leiterbahnen vor dem Einbetten durch den ersten Bearbeitungskopf in die halbfertige Bauteil-Matrix einbringen kann.In a fourth class of embodiment of the 3D printer according to the invention, a fourth processing head is provided, which can introduce electrical conductor tracks into the semi-finished component matrix before being embedded by the first processing head.
Eine weitere Klasse von Ausführungsform des erfindungsgemäßen 3D-Druckers ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Bearbeitungskopf vorhanden ist, der als Bestücker, insbesondere als mechanischer und/oder pneumatischer Greifer, ausgelegt ist.Another class of embodiment of the 3D printer according to the invention is characterized in that a machining head is provided which is designed as a mounter, in particular as a mechanical and / or pneumatic gripper.
Ganz besonders bevorzugt sind auch Ausführungsformen der Erfindung, die sich dadurch auszeichnen, dass ein Bearbeitungskopf vorhanden ist, der als Robotereinheit aufgebaut und daher vollautomatisch und eventuell sogar ohne Bedienpersonal betreibbar ist.Embodiments of the invention are also particularly preferred, which are characterized in that a machining head is provided which is constructed as a robot unit and therefore can be operated fully automatically and possibly even without operating personnel.
Schließlich sind auch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen 3D-Druckers sehr vorteilhaft, bei welchen mehrere der Bearbeitungsköpfe, vorzugsweise der zweite Bearbeitungskopf und der dritte Bearbeitungskopf und/oder der vierte Bearbeitungskopf räumlich als eine Einheit aufgebaut sind, was die Anlage insgesamt deutlich kompakter werden lässt.Finally, embodiments of the 3D printer according to the invention are also very advantageous, in which a plurality of the machining heads, preferably the second machining head and the third machining head and / or the fourth machining head are spatially constructed as a unit, which makes the system significantly more compact overall.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention will become apparent from the description and the drawings. Likewise, according to the invention, the above-mentioned features and those which are still further developed can each be used individually for themselves or for a plurality of combinations of any kind. The embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und ZeichnungDetailed description of the invention and drawing
In der schematischen Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches in der nachfolgenden Detail-Beschreibung näher erläutert wird.In the schematic drawing an embodiment of the invention is shown, which will be explained in more detail in the following detailed description.
Die – einzige – Figur zeigt eine sehr schematische Darstellung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen 3D-Druckers für die Herstellung eines raumförmlichen Bauteils, welches mindestens ein elektrisches Funktionselement
Der zweite Bearbeitungskopf
Auch kann der zweite Bearbeitungskopf
Zumindest ein Teil der thermischen Bearbeitung, insbesondere das Schmelzen von Lötdraht und das Sintern von Metallpartikelhaltigem Material kann mittels einer Laserstrahl-Anordnung erfolgen.At least a portion of the thermal processing, in particular the melting of solder wire and the sintering of metal particle-containing material can be effected by means of a laser beam arrangement.
Bei – in der Zeichnung nicht eigens dargestellten – weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen 3D-Druckers kann auch noch ein dritter Bearbeitungskopf vorhanden sein, der weitere elektrische und/oder elektronische Funktionselemente
Ebenfalls nicht in der Zeichnung dargestellt sind Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen
- – ein vierter Bearbeitungskopf vorhanden ist, der elektrische Leiterbahnen vor dem Einbetten durch den ersten
Bearbeitungskopf 1 in die halbfertige Bauteil-Matrix3 einbringen kann; - – ein Bearbeitungskopf vorhanden ist, der als Bestücker, insbesondere als mechanischer und/oder pneumatischer Greifer, ausgelegt ist;
- – ein Bearbeitungskopf vorhanden ist, der als Robotereinheit aufgebaut ist;
- – mehrere der Bearbeitungsköpfe, vorzugsweise der zweite Bearbeitungskopf
2 und der dritte Bearbeitungskopf und/oder der vierte Bearbeitungskopf räumlich als eine Einheit aufgebaut sind.
- - There is a fourth processing head, the electrical traces before embedding by the
first processing head 1 into the semi-finished component matrix3 can bring in; - - A machining head is present, which is designed as a mounter, in particular as a mechanical and / or pneumatic gripper;
- - There is a machining head, which is constructed as a robot unit;
- - Several of the processing heads, preferably the second processing head
2 and the third processing head and / or the fourth processing head are spatially constructed as a unit.
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