CN116997456A - 用于提供能够打印的熔体以运行用于3d打印机的打印头的方法和用于执行该方法的用于3d打印机的打印头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于提供能够打印的熔体(12)以运行用于3D打印机的打印头(100)的方法(200)。根据本发明，所述方法(200)包括下述步骤：‑通过供应装置(2)用能够打印的材料(10)填充(210)空腔(40)，‑通过活塞(3)的从起始位置(3a)出发在所述打印头(100)的喷嘴(8)的方向上的进给，封闭(220)活塞套筒(4)的开口横截面(21)，‑将所述材料从固相(10)经由塑相(11)转化(230)为液相(12)，‑压缩(240)所述材料(10、11、12)，‑求取(250)所述液相(12)的弹簧常数，‑对所述液相(12)进行打印准备(260)。此外，本发明涉及一种用于3D打印机的打印头(100)，用于执行根据本发明的方法(200)。

Description

用于提供能够打印的熔体以运行用于3D打印机的打印头的方 法和用于执行该方法的用于3D打印机的打印头
技术领域
本发明涉及一种用于提供能够打印的熔体以运行用于3D打印机的打印头的方法和一种用于执行该方法的用于3D打印机的打印头。
背景技术
用于在其粘度方面可变的材料的3D打印机获得该材料的固相作为初始材料，由此产生液相，并且将该液相选择性地施加在属于待产生的对象的部位处。这样的3D打印机包括打印头，在所述打印头中以准备好打印的方式预处理初始材料。此外，设置有用于产生打印头与工作面之间的相对运动的器件，对象应在该工作面上形成。在此可以或者仅使打印头运动、仅使工作面运动，或者不但使打印头而且使工作面运动。
打印头具有第一运行状态和第二运行状态，在所述第一运行状态中，液态材料从打印头出来，在所述第二运行状态中，没有液态材料从打印头出来。例如，当应移动到工作面上的其它位置并且在到那里的路径上不应输出材料时，占据第二运行状态。例如可以在打印头的两个运行状态之间切换，其方式是：固态初始材料的推进被接通或关断。
最广泛应用的是“熔融沉积建模(fused deposition modeling，FDM)”，其中由初始材料构成的细丝在电加热的挤出器喷嘴中熔化并且层状地施加到平台上。呈这种细丝形式的初始材料是非常昂贵的。
在US 2016/082 627 A1中提出，初始材料以颗粒材料形式供应并且借助螺旋输送器输送至被加热的区，该初始材料以经塑化的形式从所述被加热的区出来。一方面，颗粒材料明显更便宜，另一方面，由不同热塑性材料组成的混合物能够以这种方式简单制造。
此外，由DE 102016222306 A1已知一种打印头，其中，在该打印头中，通过活塞和经加热的路段使颗粒材料塑化。如果将活塞压到颗粒材料上，则该颗粒材料被压缩并且输送至在打印头的下部区域中的塑化区。在此，出现如下力：该力对活塞和打印头的柱体壁产生强烈负荷并且能够导致在打印头壳体的柱体壁上的增加的磨损。此外，公开一种具有热传导结构的复杂的熔化几何形状，其中，该熔化几何形状将加热元件的加热功率引入到被塑化的材料中，以便使该材料进入到材料的液相中。
发明内容
本发明所基于的任务在于，提供一种用于提供能够打印的熔体以运行用于3D打印机的打印头的方法和一种用于3D打印机的打印头，其中，所述方法和所述打印头以可复制的质量提供高品质的熔体。
在本发明的范畴内，已开发出一种用于提供能够打印的熔体以运行用于3D打印机的打印头的方法。此外，已开发出一种用于3D打印机的打印头，该打印头用于执行所述方法。
根据本发明，所述方法包括下述步骤：
-通过供应装置以能够打印的材料填充空腔、尤其是可加热的空腔，
-通过活塞的从起始位置出发朝打印头的喷嘴的方向的进给封闭活塞套筒的开口横截面，
-将材料从固相经由塑相转化为液相，
-压缩材料，
-求取液相的弹簧常数，和
-对液相进行打印准备。
在本发明的一个扩展方案中，至少封闭、转化、压缩、弹簧常数的求取和打印准备通过由控制和调节单元主动调节促动器装置执行，其中，分析处理单元由传感器的测量值得出的结果被传送给控制和调节单元。
从填充直至在打印准备期间打开打印头的喷嘴的整个工艺流程也称为再填充过程，因为这涉及重复流程，该重复流程在打印构件期间任意地重复。再填充过程是用于提供能够打印的熔体以运行用于3D打印机的打印头的方法。
此外，本发明涉及一种用于3D打印机的打印头，所述打印头用于执行根据本发明的方法。打印头包括促动器装置、供应装置、法兰、喷嘴头和喷嘴，所述促动器装置布置在打印头的壳体中，用于操控活塞；所述供应装置用于能打印的材料；所述法兰布置在壳体和供应装置上，所述法兰具有冷却装置；所述喷嘴头具有加热元件，用于将材料从固相经由塑相转化为液相；所述喷嘴用于将材料的液相从喷嘴头中输出，其中，根据本发明设置有控制和调节单元，用于主动调节促动器装置以根据待实施的运行策略移动活塞以进行填充和打印并且用于主动调节加热元件。
在打印头的一个扩展方案中，分析处理单元设置为用于对传感器的测量值进行分析处理并且将结果传送给控制和调节单元，以主动调节促动器装置和主动调节加热元件。分析处理单元不但能够与控制和调节单元分开地实施，而且能够集成在该控制和调节单元中。
通过检测和分析处理根据各运行状态的传感器值，能够检验打印头的功能性，由此能够有利地及早显示过程中的错误或偏差。此外，可以通过检测传感器值来操控定义的目标值。也可以是，计算校正系数并且将其传递给控制和调节单元。这些校正系数例如可以相加成额定值，以便有利地实现将熔体以希望的且恒定的方式从喷嘴中输出。对加热元件的主动调节能够实现温度的动态调节，该动态调节有利地不但影响加热，而且影响冷却。例如，如果通过控制和调节单元减小第一加热元件的加热能，则法兰中的冷却装置继续运行，并且该冷却装置从材料的塑相中吸收能量，由此，该塑相突然冷却。此外，对促动器装置和加热元件的主动调节能够实现，可以根据需要从喷嘴中排出材料，其中，通过主动调节的、排出的材料的体积可以补偿打印头的不同轨迹速度。因此，与常见的NC系统相比，主动调节提供了优点，常见的NC系统与其轨迹速度无关地始终排出相同的体积或以恒定的进给速度操控待排出的量，而不主动调节该过程。
用于操控活塞的促动器装置可以是例如具有机械传动比的电动马达或者是具有液压压力源的液压驱动器。与液压驱动器相比，作为促动器装置的电动马达具有较小的重量并且由此以有利的方式引起整个打印机和打印过程的高动态性，因为须加速的质量很小。液压驱动器以有利的方式在操控活塞时实现大的力。
用于可打印的材料的供应装置尤其可以设置为用于作为颗粒材料存在的材料或者说初始材料的供应装置。初始材料尤其可以是热塑性材料。已认识到，与使用由热塑性材料构成的细丝的打印头相比，通过使用颗粒材料作为初始材料尤其在用于打印机的初始材料的成本方面实现特别的优点。
与借助螺旋输送器运输颗粒材料的打印头相比，根据本发明的打印头能够更紧凑地构造。这又导致打印头能够更轻便且更简单地运动。当打印头要非常快速地、尤其以100mm/s或更高的速度运动时，这尤其是有利的。
法兰包括冷却装置，由此，在供应装置的区域中实现优化的热管理，使得有利地避免材料或者说颗粒材料在活塞上的粘连。此外，喷嘴头具有加热元件，用于将材料从固相、尤其是颗粒材料转化为液相。喷嘴头中的加热元件以有利的方式引起将加热功率有针对性地引入到待熔化的材料中。随后，液相或者说熔体能够由于活塞运动而通过喷嘴头的喷嘴输出。
活塞套筒实施为用于引导活塞的单独的活塞套筒并且能够实现，活塞直接在活塞套筒中被引导并且不再在壳体或打印头的柱体中被引导。由此以有利的方式实现，可能的磨损不再直接出现在壳体的或柱体的内壁上，而是在活塞套筒内。作为单独构件的活塞套筒提供如下优点：该活塞套筒在需要时能够被更换。此外得到如下可能性：彼此相协调的活塞和活塞套筒可以在不同直径的情况下使用，而无需另外的设计结构上的改变，例如在法兰和喷嘴头上。
在方法的一个扩展方案中，通过供应装置以能够打印的材料填充空腔、尤其是可加热的空腔，至少包括以下步骤：
-将材料或颗粒材料块(Granulatstücke)经由供应装置的开口填入到打印头中，
-产生空气脉冲，用于使颗粒材料块彼此脱离。
在一个扩展方案中，手动地或自动化地执行颗粒材料块的填入，其中，颗粒材料块由于重力的影响而滑到供应装置的下部区域中。
在填充的一个优选扩展方案中，间歇性地执行空气脉冲的产生，并且颗粒材料块这样地在空气脉冲的区域中被抛起，使得颗粒材料块在又落下来时施加脉冲到位于下方的颗粒材料块上并且激励这些颗粒材料块继续滑(nachrutschen)到打印头的被加热的空腔中。
有效的再填充的过程需要从后方吹颗粒材料，由此产生提升颗粒材料的效果，使得该颗粒材料随后滑到打印头中。抛起或盘旋升起对于自动化的使用而言是必需的，并且由于产生的重力冲量或者说撞击，颗粒材料以有利的方式继续滑动。在需要时通过空气脉冲也可以使卡住的颗粒材料脱离，由此，以有利的方式避免打印头的停机时间。
在方法的一个扩展方案中，通过活塞封闭活塞套筒的开口横截面，包括下述步骤：
-使活塞进给，从活塞的活塞底部的起始位置出发朝喷嘴的方向直至到达在活塞套筒的切口下方的位置，其中，
-通过使活塞底部从切口旁滑过，实现颗粒材料的剪切(Abscheren)。
活塞套筒具有伸入到法兰中的上部分区域和伸入到喷嘴头中的下部分区域。由此，上部分区域布置在法兰的冷却装置的冷却区的作用区域中，并且下部分区域布置在喷嘴头的加热区的作用区域中，由此，以有利的方式实现从在冷却区内的材料中有效地导出能量或将能量有效地供应到在加热区内的材料中。在活塞套筒的上部分区域中布置有开口或者说开口横截面，该开口或者说开口横截面能够实现将材料从供应装置供应到活塞套筒中。在开口的下部区域上布置有切口，该切口构造为与活塞套筒的内表面成钝角。切口的区域是硬化的或替代地实施为单独的硬化的嵌入件。在通过活塞封闭开口时，材料或者说颗粒材料在切口处被活塞剪切，由此，强烈的机械负载作用到活塞套筒的该部分上。通过单独的活塞套筒和切口的硬化区域以有利的方式实现更长的使用寿命和故障构件的较快更换。
在方法的一个扩展方案中，将材料从固相经由塑相转化为液相，包括以下步骤：
-通过喷嘴头的加热元件在打印头的状态区上加热材料，其中，状态区呈现材料的与其温度TS相关的聚集态，并且通过引入加热元件的加热能，实现材料的聚集态在状态区上从固相经由塑相到液相，
-在压缩期间混合材料。
打印头从活塞套筒的上部分区域出发经由肾形件直至喷嘴具有不同的状态区，其中，这些状态区呈现材料的与其温度TS相关的聚集态。在此，材料的聚集态能够在状态区上从固相经由塑相改变为液相。有利的是，打印头的状态区包括具有在固相中的材料的冷区、具有在塑相中的材料的塑化区、分别具有在液相中的材料的熔化区和过程区以及具有在塑相和液相中的材料的混合区。此外，在法兰中的冷却装置和集成在活塞中的活塞冷却装置设置为用于将塑化区中的材料的塑相的温度TS然后也保持为小于玻璃化转变温度Tg，自该玻璃化转变温度起，材料将塑化并且转变为液相。
这以有利的方式等同于活塞底部仅与材料的固相接触，而不与完全塑化的相接触。完全塑化的相具有韧的、粘的稠度，其具有高的表面粘附倾向。如果活塞与该相接触，则活塞能够与该相粘连，由此，例如妨碍在拉回活塞时新鲜的颗粒材料的再流淌。该效果以有利的方式被避免。
为了执行所述方法，喷嘴头包括两个加热区。在第一加热区中布置有塑化区的部分区域、混合区和熔化区的部分区域，其中，第一加热元件这样地布置在上喷嘴头中，使得加热能能够从第一加热元件经由活塞套筒的下部分区域、肾形件和上喷嘴头的部分区段引入到材料中。在第二加热区中布置有熔化区的部分区域和过程区，其中，第二加热元件这样地布置在下喷嘴头中，使得加热能能够从第二加热元件经由下喷嘴头引入到材料的液相中。
两个加热区布置在喷嘴头中引起打印头的更有效的热管理，因为第一加热区的加热能引起材料的有利的预塑化，而材料不转变为液相。由此，以有利的方式实现活塞在压缩时不粘连并且打印头无故障地正常工作。该效果在与法兰中的冷却装置的相互配合中被优化。此外，塑相中的材料被这样地预塑化，使得促动器装置在活塞进给时需要较小的力耗费，由此，能够以有利的方式使用较小的促动器用于使活塞进给。这降低了设备的成本并且导致打印头的改善的动态性，因为打印头的重量减小。由此，打印头可以在用于产生构件的所谓的轨迹控制期间更好地被加速和制动。在第二加热区中产生熔体，并且所输入的加热能引起在整个熔化室内的相对恒定的熔化温度。熔化温度可以在第二加热区内这样地被调节，使得材料不过强地加热。由此能够以有利的方式避免，通过过高的热负载例如产生裂变产物、主要是气体，所述裂变产物通过在系统中占优势的压力加速材料的进一步分解并且也直接负面地影响该材料的质量。
压缩和转化的过程很大程度上同时发生，因为在两个过程期间将加热能经由两个加热区引入到打印头中。
在本发明的一个优选扩展方案中，在压缩过程期间对材料的压缩包括以下步骤：
-通过活塞的进给预压缩材料，
-封闭喷嘴，
-通过活塞的进给压缩材料，
-将活塞保持在保持位置中。
在压缩过程的一个扩展方案中，通过活塞的进给压力控制和/或力控制地执行材料的预压缩，其中，预压缩至如下位置：当达到和/或超过力曲线和/或压力曲线的与材料有关的斜率和/或与材料有关的倾斜角时，到达该位置。
在下一个方法步骤中，在喷嘴封闭的情况下通过活塞的进给压力控制地执行材料的压缩，并且在此移动到保持位置，直至达到峰值压力。
在一个扩展方案中，在压缩期间，喷嘴是封闭的，并且活塞针这样地沉入到喷嘴头的熔化室中，使得由此将液相的一部分从熔化室的上部区域通过肾形件的开口从熔化区挤回到混合区中，由此，液相的该部分与来自塑化区的塑相在混合区中混合。
在一个扩展方案中，活塞被保持在保持位置中，其中，在保持过程期间测量液相的压力和温度，并且通过分析处理单元检验测量值，用于对压缩过程进行功能检查。
此外，在一个扩展方案中，在将活塞保持在保持位置中期间，喷嘴是封闭的，并且活塞针这样地沉入到熔化室中，使得由此将液相的一部分从熔化室的上部区域通过肾形件的开口从熔化区挤回到混合区中，由此，液相的该部分与来自塑化区的塑相在混合区中混合。
预压缩通过由促动器装置力控制或压力控制地操控活塞来实施，其中，从冷区出发，活塞底部的目标位置处于塑化区的前三分之一中。在塑化区中通过活塞的进给压缩颗粒材料，其中，同时在熔化区中在空腔与喷嘴之间存在熔体。经塑化的颗粒材料由此在混合区中被挤压入熔体中。通过使活塞和类似地使活塞针朝喷嘴的方向下降，熔体已经从喷嘴中出来，由此，以有利的方式实现从喷嘴头中排挤可能还存在的空气或者说空气夹杂物(Lufteinschlüsse)。由此，喷嘴变空。
在到达预压缩的目标位置之后，封闭打印头的喷嘴。
为了压缩材料，通过促动器装置使活塞压力控制地进给，直至达到定义的峰值压力和从而到达峰值压力位置。在此，在用于运行打印头的方法的一个扩展方案中，在压缩期间，喷嘴是封闭的，并且活塞针这样地沉入到熔化室中，使得由此将液相的一部分从熔化室的上部区域通过肾形件的开口从熔化区挤回到混合区中，由此，液相的该部分与来自塑化区的塑相在混合区中混合。
随后，对于与材料有关的预定的时间段保持所谓的峰值压力位置，因此，该峰值压力位置也是打印头的保持位置。在方法的一个扩展方案中，在将活塞保持在保持位置中期间，喷嘴是封闭的，并且活塞针这样地沉入到熔化室中，使得由此将液相的一部分从熔化室的上部区域通过肾形件的开口从熔化区挤回到混合区中，由此，液相的该部分与来自塑化区的塑相在混合区中混合。
通过保持过程，残余空气被排挤，并且熔体在混合区C中被均匀化。由此以有利的方式实现更好的能量流并且产生更均匀的材料。流回的熔体变成塑性的，并且被推到肾形件中的颗粒材料部分变成熔体状的。由此形成材料混合。此外，在这里所描述的保持过程以有利的方式用于分析和用于打印头的系统检查，因为在压力的压力测量时可以得到以下效果。熔体中的压力的压力升高将意味着，熔体释放气体，因为例如熔体的温度过高。过高的熔化温度是不希望的，因为可能形成空气等离子体，这将导致化学分解。熔体压力的强烈的压力降例如可能意味着，打印头的系统是不密封的或在系统中还有过多的空气。当例如因为打印头的温度管理没有最优地调设，而在空腔中存在过多的冷的材料时，可能出现该效果。
在一个扩展方案中，液相的弹簧常数的求取包括以下步骤：
-在所述保持结束之后从保持位置朝一目标位置压力控制地移回，当熔体压力达到目标压力时，到达该目标位置，
-求取峰值压力与目标压力之间的压力差，
-求取保持位置与目标位置之间的距离，
-计算液相的弹簧常数。
弹簧常数由熔体的可压缩性得出并且导致校正系数或者说形状系数，需要该校正系数或者说形状系数用于通过促动器装置精确地操控活塞。由于熔体的可压缩性，几何上的、通过活塞经过的活塞行程的1.2个体积单位例如相应于熔体的所排出的体积的1.0个体积单位。在无可压缩性的情况下，该比例为1:1。
通过求取熔体的弹簧常数以有利的方式实现，促动器装置可以调节地操控活塞，其中，弹簧常数还能够实现，熔体的真实排出根据在打印时运动的打印头的轨迹速度达到熔体的正确的、经计算的体积流。即在每个打印位置处，在打印头的每个轨迹速度的情况下，将各自所需的熔体的量施加到构件上。
在一个扩展方案中，液相的打印准备包括以下步骤：
-通过根据弹簧常数拉回活塞对液相进行主动的解压缩，
-打开喷嘴。
在主动解压缩的情况下，活塞根据所求出的弹簧常数被拉回约1至2毫米，由此以有利的方式实现，如果在此打开喷嘴或者说喷嘴开口，则没有熔体从喷嘴或喷嘴开口出来。在继续保持位置时由于现有的打开的系统通过重力的影响将是这种情况。同时，熔体类似于弹簧地被卸载。
随后，通过压缩以进一步的打印准备开始打印过程。打印头的整个系统是可压缩的系统，因为熔体例如可以具有约20％的压缩。因此，通过活塞的进给被排挤的体积不相应于所排出的材料的体积，由此可以产生不准确且不均匀的排出。
压力调节地执行液相的输出、即打印，其中，
-永久地测量熔化室中的压力，
-主动地通过控制和调节单元操控活塞，其中，与压力有关地以校正系数适配活塞的进给，其中，校正系数由材料的液相的计算出的弹簧常数得出。
所测量的压力相应于通过将液相排出到构件上而产生的压力，并且校正系数是有利的，以便补偿液相的可压缩性。
在打印开始时熔体在熔化室中的压缩一部分通过在“挤出”熔体时在喷嘴的喷嘴开口上的摩擦产生，而一部分通过在打印到构件或衬底载体上时的阻力产生，构件构造在所述衬底载体上。熔体的均匀排出通过打印头的智能调节实现，其中，通过在促动器装置上使用电子传动装置实现活塞的以校正系数适配的异步运动。尤其由熔体的所求出的弹簧常数得出的校正系数可以说被混入到该系统中。因此，根据本发明的方法有以有利的方式不具有类似于常见的NC系统的对同步运动的限制。
电驱动的促动器装置经证明为对于这种情况是动态且非常有效的。
此外，由打印头的构造产生优点，其中，活塞套筒可以在上部分区域与下部分区域之间具有止挡，法兰和喷嘴头通过该止挡彼此隔开。因此，活塞套筒和尤其止挡以有利的方式将被冷却的法兰与被加热的喷嘴头隔开，由此，所述法兰和所述喷嘴头不相互接触。此外，可以在活塞套筒的下部分区域上布置肾形件，其中，该肾形件具有中央延伸的孔，用于接收活塞的活塞针。
打印头的活塞包括用于附接在促动器装置上的第一活塞件、用于附接在第一活塞件上并且用于接收活塞针的活塞头。优选地，第一活塞件构造为铝空心活塞，由此，冷却剂可以通过第一活塞件引导并且由此以有利的方式实现活塞冷却。活塞头在面向喷嘴的一侧上具有下侧，其中，活塞针从该下侧的中间伸出。活塞头的下侧的面减去活塞针的虚拟面形成活塞面，用于产生作用到材料上的压力。活塞头的下侧通过活塞冷却装置被一起冷却，并且由此局部地减小在活塞底部上的熔体或者说塑性材料的粘度。由此防止液态熔体能够朝驱动装置的方向流入，由此，以有利的方式防止活塞在活塞套筒中卡住，而且防止熔体侵入到驱动装置中。此外，在拉回时，材料更容易地从活塞底部或者说活塞头的下侧脱离，使得在达到活塞的起始点或者说初始点时能够容易地再填充在固相中的材料或者说颗粒材料，而剩余材料不粘附在活塞底部上。优选地，在活塞头的下侧上或者说在活塞底部上安装有温度传感器。由于温度传感器的该布置能够实现打印头的与活塞位置有关的热管理，由此实现材料的更快速的加热，而熔体不与活塞头的下侧接触。由此，能够以有利的方式实现打印头的填充过程的加速。活塞头实施为柱形构件并且优选由耐热性材料制造。第一活塞件由铝并且活塞头例如由钢实施的实施方案的组合经证明为有利的，因为活塞因此具有用于接收机械应力的弹性的上部区域并且在被加热的材料的区域中具有耐热的下部区域。根据活塞位置而定，活塞针仅部分地伸入到肾形件的孔中或完全穿过该孔，由此，活塞针以有利的方式在肾形件的中央孔中被引导。
肾形件具有同心布置的开口，其中，该开口形成布置在活塞套筒中的空腔与布置在喷嘴头的下部分中的熔化室之间的流体连接。
空腔布置在活塞套筒内并且通过如下体积形成：该体积的外侧面由活塞套筒的内侧、活塞针的外侧、肾形件的上侧和活塞的下侧形成。在空腔内，由于活塞的移动通过活塞头的下侧或者说活塞面压缩材料或者说颗粒材料。在压缩材料期间这样地调设打印头的热管理，使得在空腔内不形成材料的液相或者说熔体，而是将材料构造为塑相。由此以有利的方式实现，经塑化的材料不粘附在活塞的下侧上。然而，在压缩期间，熔化室中的液相的或者说熔体的一部分通过侵入到该熔化室中的活塞针而穿过肾形件的同心布置的开口从熔化室被挤压到活塞套筒的空腔中。在此，熔体的该部分与塑相的一部分混合。在此，熔体将能量释放到塑相中，由此以有利的方式产生更均匀的材料。因此，肾形件构成混合器或者说静态混合器，因为除了活塞运动外，有利地不需要另外的可运动的零件，用于将塑相与液相混合。因此，肾形件的构型以有利的方式引起孔板作用(Blendenwirkung)，该孔板作用导致材料或者说熔体与经塑化的材料的更好的充分混合。肾形件将加热元件的加热能从喷嘴头不但传导到熔体中，而且传导到活塞针中，这以有利的方式引起在加热熔体时的改进的能量管理。
此外，肾形件可以实施为单独的构件或与活塞套筒一体地构造。
此外，在熔化室中布置有用于液相的压力pL的压力传感器和/或用于液相的温度TL的温度传感器。对压力pL的测量是主要参数，该主要参数决定了输出或者说排出或从开口的熔体的质量流。对温度TL的附加测量能够实现，在确定质量流Q时也考虑材料的粘度的温度相关性。通过活塞进给可以精确地调节待配量的量。对于所制造的构件或者说对象的质量而言，对温度TL的控制，尤其呈恒定且准确的调节形式的控制甚至是更重要的，以避免材料的热退化。此外，在促动器装置上和/或在活塞上设置有用于活塞的位置s的位移测量系统和/或用于由活塞施加到材料上的力F的或用于施加到活塞上的液压压力pH的传感器。活塞的进给是用于待排出的材料的量的量度。该量还可以通过位移测量系统来控制。此外，力F与材料中的压力直接相关联。此外，在活塞上、尤其在活塞的活塞头的下侧上布置有用于材料的塑相的温度TK的温度传感器。由于温度传感器的该布置能够实现打印头的与活塞位置有关的热管理，由此实现材料的更快速的加热，而熔体不与活塞头的下侧接触。由此能够以有利的方式实现对打印头的填充过程的加速或者说实现填充过程所需的时间的减少。
附图说明
在下面与对本发明的优选实施例的描述一起根据附图更详细地示出改进本发明的其它措施。
附图示出了：
图1：根据本发明的打印头；
图2：根据本发明的打印头的另一示意图；
图3：根据本发明的打印头的局部；
图4：根据本发明的打印头的示意图；
图5：根据本发明的用于提供能够打印的熔体的流程图；
图6：根据本发明的打印头的局部连同压力变化曲线；
图7：根据本发明的打印头的活塞的不同位置；
图8：用于填充打印头的空腔的方法的流程图；
图9：用于封闭打印头的活塞套筒的开口横截面的方法的流程图；
图10：用于将材料从固相经由塑相转变为液相的方法的流程图；
图11：用于压缩材料的方法的流程图；
图12：用于求取材料的液相的弹簧常数的方法的流程图；
图13：用于材料的液相的打印准备的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出用于3D打印机的打印头100，该打印头包括促动器装置110、用于可打印的材料10的供应装置2、具有冷却装置50的法兰5、喷嘴头6和喷嘴8，所述促动器装置布置在打印头100的壳体1中，用于操控活塞3；所述法兰布置在壳体1和供应装置2上；所述喷嘴头具有加热元件61、63，用于将材料10从固相10经由塑相11转化为液相12；所述喷嘴用于将材料10的液相12从喷嘴头6中输出。打印头100包括单独的活塞套筒4，用于引导活塞3。
通过冷却装置50被内部冷却的法兰5引起打印头100的被加热的下部区域与促动器装置110或与活塞3的驱动器的热隔离。
活塞3包括第一活塞件31、活塞头34，所述第一活塞件用于将活塞3附接在促动器装置110上，所述活塞头紧固在第一活塞件31上并且朝喷嘴8的方向接收活塞针32。在活塞3上或在活塞头34的下侧35上布置有温度传感器36，用于测量材料的塑相11的温度TK。活塞头34的下侧35形成活塞底部35。优选地，第一活塞件31构造为铝空心活塞，其中，该铝空心活塞在内部具有空腔，该空腔构造为冷却通道。在第一活塞件31的下端部上布置有活塞冷却装置33，该活塞冷却装置通过冷却剂系统冷却。活塞冷却装置33引起材料11、12在活塞底部35上固化并且由此将活塞3朝促动器装置110的方向密封或者说由此防止液态熔体12朝促动器装置110的方向流入。优选地，冷却液体用作冷却剂，其中，该冷却液体经由接头和柔性的管线穿过壳体1被输送到第一活塞件31的冷却接头37中。通过相同的冷却剂系统给法兰5中的冷却装置50供给以冷却剂。
通过冷却在活塞底部35上的材料11、12，局部地减小材料11、12的粘度，由此，该材料在活塞3拉回时从该活塞脱离，而不拉丝。在此，实现用于新的材料10空间。
图1示出在初始位置中的活塞3，用于以可打印的材料10填充打印头100，所述可打印的材料经由供应装置2被供应到打印头100中。
供应装置2漏斗形地构造，其中，材料10、优选是颗粒材料从上方被填入到供应装置2的开口中。材料10由于重力到达至通向活塞套筒4的开口21或者说开口横截面。在供应装置2的下部区域中在开口21上方布置有空气通道20。该空气通道通过气动阀22被加载以空气脉冲。气动阀22和空气通道20形成吹入装置，该吹入装置间歇性地如此以空气冲击加载颗粒材料10，使得该颗粒材料朝供应装置2的位于更上方的区域的方向被抛起并且由此各个颗粒材料块10彼此脱离。在关断空气流时，处于供应装置2的下部区域中的颗粒材料10在开口横截面21打开时掉落到活塞套筒4中。供应装置2的吹入装置由此防止颗粒材料块10卡住，由此防止供应装置2的堵塞，并且该吹入装置引起以颗粒材料10可靠地填满活塞套筒4。此外，可以在供应装置2的入口中使用较小的直径。再填充的过程需要从后方吹(Hinterblasen)颗粒材料10，由此产生提升颗粒材料的效果，使得该颗粒材料随后滑到打印头100中。盘旋升起对于自动化的使用而言是必需的，并且通过由此产生的重力冲量或者说撞击，使颗粒材料10继续滑动。
活塞套筒4具有伸入到法兰5中的上部分区域41和伸入到喷嘴头6的上部分区域60中的下部分区域42。在活塞套筒4的上部分区域41和下部分区域42之间布置有止挡43，法兰5和喷嘴头6通过该止挡彼此分开。开口21或者说开口横截面布置在活塞套筒4的上部分区域41中并且在活塞套筒4的内表面上具有切口44。切口44引起在通过活塞3关闭开口横截面21时颗粒材料10在切口44和活塞底部35之间被剪切，直到活塞底部35到达在切口44下方的位置。
活塞套筒4在切口44处具有钝角，其中，该切口是棱边锋利且硬化的。在此，局部硬化是有利的。在一个替代的实施方案中，切口44也可以通过单独的插入件、类似于转盘形成。切口44的结构形状有利地引起减小用于剪切颗粒材料10所需的力，由此能够节省能量并且活塞套筒4的和活塞3的材料更不易磨损。在此，切口44的棱边是极其易磨损的。
在活塞套筒4的下部分区域42上布置有肾形件7，其中，肾形件7具有中央延伸的孔70，用于接收活塞3的活塞针32。此外，肾形件7具有同心布置的开口71，该开口形成布置在活塞套筒4中的空腔40与布置在喷嘴头6的下部分62中的熔化室81之间的流体连接。空腔40布置在活塞套筒4内并且通过活塞套筒4的内侧、活塞针32的外侧、肾形件7的上侧和活塞3的下侧35形成。
肾形件7的一个优选的任务是从喷嘴头6的加热元件61、63到材料的液相12或者说熔体12中的热传导或者说能量传递。这尤其通过增加与空腔40和因此与材料的塑相11的接触面来实现。另一任务是引导活塞针32，其中，活塞针32在孔70内的接触附加地引起将活塞针32加热到所需的过程温度。最终的过程温度仅在朝向喷嘴8的喷嘴头6中才达到。在打印头100的填充过程期间，喷嘴8在需要时被封闭，并且在通过促动器装置110操控活塞3时，布置在空腔40和熔化室81中的材料10、11、12通过活塞进给被压缩。
喷嘴头6包括打印头100的加热元件61、63，其中，第一加热元件61布置在上喷嘴头60中，而第二加热元件63布置在下喷嘴头62中。上喷嘴头60具有部分区段64，该部分区段布置在上喷嘴头60与下喷嘴头62之间并且肾形件7放置在该部分区段上。在喷嘴8的区域中，在喷嘴头6上布置有冷却环84。该冷却环将待打印的构件冷却并且将该构件与打印头100热屏蔽。
喷嘴头6中的加热元件61、63加热在空腔40、肾形件7和熔化室82内的材料10、11、12，直到材料的液相12达到其过程温度并且可以从喷嘴8中被排出。熔化室82这样地构造，使得该熔化室从上喷嘴头60的部分区段64直至喷嘴8变细。熔化室81的锥形供入部能够实现体积流的增加并且防止材料沉积在喷嘴头6的内壁上。由于与柱形的熔化室81相比，在成锥形的熔化室81中的材料12或者说体积很小，混合过程被进一步优化。由此，活塞针32仅须排挤很小的体积，以便在压缩时将熔体12的部分通过肾形件7的开口71从熔化室81挤回到空腔40中。
此外，打印头100包括另外的传感器，其中，在熔化室81中布置有用于压力pL的压力传感器83和用于材料的液相12的温度TL的温度传感器82。另外的传感器布置在促动器装置110上，其中，设置有用于活塞3的位置s的位移测量系统111和用于由活塞3施加到材料10上的力F的或用于施加到活塞3上的液压压力pH的传感器112。在一个替代的实施方案中，传感器111、112也可以布置在打印头100的活塞3上。
图2示出根据本发明的打印头100的另一示意图，其中，根据本发明，材料的固相10包括颗粒材料块10，并且供应装置2具有吹入装置25，用于使颗粒材料块10彼此脱离。吹入装置25包括气动阀22和空气通道20，其中，空气通道20布置在供应装置2的壳体部分27中并且在供应装置2的下部区域24中在法兰5的开口横截面21上方汇入。空气通道20能够通过气动阀加载以空气脉冲26，其中，空气脉冲26这样地在下部区域24中作用到颗粒材料块10上，使得这些颗粒材料块彼此脱离。供应装置2漏斗形地构造，其中，颗粒材料块10从上方被填入到供应装置2的开口23中。材料10由于重力到达法兰5的通向活塞套筒4的横截面开口21或者说到达活塞套筒4的开口横截面21。在供应装置2的下部区域24中在法兰5的开口横截面21上方布置有吹入装置25的空气通道20。空气通道20通过气动阀22加载以空气脉冲26。吹入装置25包括气动阀22和空气通道20，其中，颗粒材料10间歇性地如此被加载以空气冲击，使得该颗粒材料朝供应装置2的位于更上方的区域的方向被抛起并且由此各个颗粒材料块10彼此脱离。在关闭吹入装置25时，处于供应装置2的下部区域24中的颗粒材料10在开口横截面21打开时掉落到活塞套筒4的空腔40中。供应装置2的吹入装置25由此防止颗粒材料块10卡住，由此防止供应装置2的堵塞，并且该吹入装置引起以颗粒材料10可靠地填满活塞套筒4。再填充的过程需要从后方吹颗粒材料10，由此产生提升颗粒材料的效果，使得该颗粒材料随后滑到打印头100中。盘旋升起对于自动化的使用而言是必需的，通过由此产生的重力冲量或者说撞击，使颗粒材料10继续滑动。
图3在旋转90°的视图中示出根据本发明的打印头100的局部，其中，从活塞套筒4的上部分区域41出发经由肾形件7直至喷嘴8示出在运行期间以材料10、11、12填充的打印头10的状态区A、B、C、D、E。状态区A、B、C、D、E呈现材料10的与其温度TS相关的聚集态，其中，材料10的聚集态在状态区A、B、C、D、E上能够从固相10经由塑相11变化为液相12。
材料10、11、12在打印头100内的温度TS或者说温度变化曲线在打印头100上方所示的曲线图中示出，其中，该曲线图关于行程s或者说打印头100的工作区域120的长度示出。
打印头100的状态区A、B、C、D、E包括具有在固相10中的材料的冷区A、具有在塑相11中的材料的塑化区B、分别具有在液相12中的材料的熔化区D和过程区E。此外，状态区包括具有在塑相11和液相12中的材料的混合区C。
设置有在法兰5中的冷却装置50和集成在活塞3中的活塞冷却装置33，以便将塑化区B中的材料的塑相11的温度TS然后也保持为小于玻璃化转变温度Tg，自该玻璃化转变温度起，材料11塑化并且转变为液相12。在这里所示的实施方案中，具有在塑相11中的材料的塑化区B说明了材料或者说颗粒材料的如下状态：在该状态中，颗粒材料的粘度已经改变，由此优化压缩和混合过程，但颗粒材料的塑相11恰好尚未转变为液相12。
此外，喷嘴头6包括两个加热区65、66。在第一加热区65中布置有塑化区B的部分区域、混合区C和熔化区D的部分区域，其中，第一加热元件61在上喷嘴头60中这样地布置，使得加热能能够从第一加热元件61经由活塞套筒的下部分区域42、肾形件7和上喷嘴头的部分区段64引入到材料10、11、12中。在第二加热区66中布置有熔化区D的部分区域和过程区E，其中，第二加热元件63在下喷嘴头62中这样地布置，使得加热能能够从第二加热元件63经由下喷嘴头62引入到材料的液相12中。
从曲线图中可看到，材料10、11、12的温度Ts始终在打印头100的工作区域120的行程s上升高。在冷区A中，法兰5的冷却装置50的作用是占主导的，由此颗粒材料10仅缓慢地在行程s上加热。自塑化区B起，具有第一加热元件61的第一加热区65的影响才开始增加，其中，温度曲线强烈升高直至达到玻璃化转变温度Tg，并且自那里起开始混合区C。温度Tg在混合区C中以较小的斜率继续升高直至到达熔化区D。在那里开始具有第二加热元件63的第二加热区66的影响区，其中，该第二加热元件使熔体12的温度TS强烈升高，直至在过程区E中达到熔体12的过程温度并且形成能够打印的熔体12。
温度TS必须如此调设，使得颗粒材料10在填充时能够流淌到空腔40中，而不粘连，但也被这样地预加热，使得能够在切口44处以尽可能小的力耗费剪切材料10、11。在此，打印头100的温度管理如此调设，使得法兰5中的冷却装置50将约40℃的冷却调温引入到活塞套筒4中并且由此引入到材料10、11中，并且第一加热区65的第一加热元件61将小于玻璃化转变温度Tg或者说材料10、11、12的熔化温度的、约30℃的加热调温引入。该效果通过活塞冷却装置33辅助。通过冷却在活塞底部35上的材料11、12，局部地减小材料11、12的粘度，由此，该材料在活塞3拉回时从该活塞脱离，而不拉丝。在此，当活塞3释放通向供应装置2的开口横截面21时，实现用于新的材料10的空间。
活塞底部35上的温度传感器36测量在活塞3与材料10、11的接触部位处的温度TK，由此可以计算打印头100的冷却和加热功率，使得不超过材料10的玻璃化转变温度Tg。由于温度传感器36或者说温度触头布置在活塞底部35上，能够实现与活塞位置有关地调节加热元件61、63并且由此调设温度TS。由此实现材料11、12的更快的加热。因此，打印头100的热管理也能够实现对具有小于60至80℃的低熔化温度的塑料进行处理。
在用于在过程区E中产生材料的液相12的压缩过程期间，喷嘴8是封闭的。喷嘴8例如可以通过未示出的封闭阀封闭或通过将打印头100定位到在打印机的结构空间中的板上封闭。此外，也可以移动到构件9的已经打印的区域并且由此封闭喷嘴8。在压缩过程期间，喷嘴针32这样地沉入到熔化室81中并且进一步运动到该熔化室中，使得由此将液相12的一部分从熔化区D挤回到混合区C中，由此，在混合区C中，液相12的该部分与来自塑化区B的塑相11混合。在此，来自熔化区D的液相12从熔化室81的上部区域通过肾形件7的开口71被挤回到活塞套筒4的空腔40中而进入混合区C中。
图4示出根据本发明的打印头100的示意图，该打印头具有控制和调节单元113和分析处理单元114，所述控制和调节单元用于主动调节促动器装置110，用于使活塞3移动，所述分析处理单元构造为用于对传感器36、82、83、111、112的测量值进行分析处理并且将结果传递给控制和调节单元113，用于主动调节促动器装置110和用于主动调节加热元件61、63。控制和调节单元113设置为用于主动调节促动器装置110以根据待实施的运行策略来移动活塞3以进行填充和打印并且设置为用于主动调节第一加热元件61和第二加热元件63的温度。对于主动调节促动器装置110决定性的是由分析处理单元114接收到的传感器信号和由对应值计算出的结果。用于压力pL的压力传感器83和用于液相12的温度TL的温度传感器82布置在熔化室81中。在促动器装置110上或在活塞3上布置有用于活塞3的位置s的位移测量系统111和用于由活塞3施加到材料10、11上的力F的或者用于施加到活塞3上的液压压力pH的传感器112。此外，在活塞3上布置有用于材料的塑相11的温度TK的温度传感器36。
传感器111、112、36、82、83的通过虚线箭头所示的信号s、F、pH、TK、TL、pL被传递给分析处理单元114，随后在该分析处理单元中或在云端中被分析处理，并且根据运行策略将结果作为控制参量i传递给控制和调节单元113，并且相应地操控促动器装置110以及加热元件61、63。
图5示出根据本发明的用于提供能够打印的熔体12以运行根据本发明的打印头100的方法200的流程图，其中，所述方法具有下述步骤：
-通过供应装置2将空腔40填充210以可打印的材料10，
-通过活塞3的从起始位置3a出发朝打印头100的喷嘴8的方向的进给封闭220活塞套筒4的开口横截面21，
-将材料从固相10经由塑相11转化230为液相12，
-压缩240材料10、11、12，
-求取250液相12的弹簧常数，
-对液相12进行打印准备260。
至少所述方法的封闭220、转化230、压缩240、弹簧常数的求取250和打印准备260通过由控制和调节单元113主动调节促动器装置110执行，其中，分析处理单元114由传感器36、82、83、111、112的测量值得出的结果被传递给控制和调节单元113。下面更详细地阐述所述方法步骤。
图6示出根据本发明的打印头100的局部和两个曲线图6a、6b，所述曲线图示出在提供能够打印的熔体12期间或者说在方法200的用于提供能够打印的熔体的不同方法步骤期间的压力变化曲线或者说压力-力变化曲线。图7示出活塞3在图6的不同方法步骤或状态时的不同位置，在起始位置3a处开始直至活塞底部35的最终位置3z。在方法步骤的实施期间，在法兰5和活塞3中的冷却装置50、33以及加热元件61、63是激活的，并且熔化室81以及肾形件7填充有熔体12，在空腔40的下部分区域中还有在塑相11中的颗粒材料。
所示的打印头100的局部相应于在图1、3和4中所示的根据本发明的打印头100，使得之前附图的附图标记被考虑用于说明图6和7，其中，在图6和7中标记新的特征和基准，例如活塞3相对于活塞底部35的对应位置。
图6在第一曲线图6a中示出两个曲线走势，所述曲线走势绘制在由活塞3经过的行程s上。行程s由在促动器装置110上或在活塞3上的位移测量系统111或者说位移传感器111测量。上方曲线示出用于在封闭220和压缩240时在通过促动器装置110使活塞3进给期间用于由活塞3施加到材料10、11上的力F或者用于施加到活塞3上的液压压力pH的力变化曲线、压力变化曲线，其中，力传感器或压力传感器112布置在促动器装置110上或布置在活塞3上。曲线图6a中的下方曲线示出在压缩240期间在活塞3的行程s上的在熔化室81中的熔体压力pL的压力变化曲线。用于液相12或者说熔体12的压力pL的压力传感器83布置在熔化室81中。
在第二曲线图6b中示出第一曲线图6a的下方曲线的部分局部，其中，在这里也示出在压缩240期间在活塞3的行程s上的在熔化室81中的熔体压力pL的压力变化曲线(从pc到pd的曲线走势)。
图7a示出在打印头100的填充过程210期间活塞3的起始位置3a，其中，活塞底部35定位在活塞套筒4的开口21的上侧上。从填充210到喷嘴在打印准备260期间打开820的整个工艺流程也称为再填充过程，因为这涉及重复流程，该重复流程在打印构件9期间任意地重复。再填充过程是用于提供能够打印的熔体12以运行用于3D打印机的打印头100的方法。活塞3的在图7a中所示的位置与图1的活塞3的位置类似。活塞套筒4的开口21或者说开口横截面21是打开的，并且颗粒材料10可以经由供应装置2被引入到活塞套筒4的空腔40中。随后，通过促动器装置110将活塞3控制到在图7b中所示的位置3b中。在此，活塞底部35从活塞套筒4的切口44旁滑过，并且从开口21突出到空腔40中的颗粒材料10在活塞底部35与切口44之间被剪切。因此，该位置称为剪切位置3b。在剪切420之后，开口横截面21被封闭220。力变化曲线、压力变化曲线F、pH从起始位置3a直至剪切位置3b升高，其中，促动器装置110的力耗费在切口44处或者说在剪切位置3b处是最高的，因为促动器装置110必须施加用于剪切颗粒材料10的力。力耗费能够通过适当的措施减小，如与活塞底部3的特性和颗粒材料10的预加热相结合地优化切口几何形状。相反地，熔体12的压力变化曲线pL仅略微地改变或者说几乎不升高，因为喷嘴8仍然是打开的并且在熔化室81中不建立压力。
随后开始压缩过程240，并且活塞3通过促动器装置110力控制或压力控制地移动至位置3c。在活塞3移位时测量施加到材料或者说颗粒材料10、11上的力F或施加到活塞3上的液压压力pH以及测量熔体12中的压力pL。通过活塞3的移位预压缩材料10、11、12。
位置3c通过力升高或压力升高限定、即位置3c被操控，其中，不直接操控在曲线图6a中所示的曲线的点，而是侧边沿(Flanke)。侧边沿在分别从具有低的或者说小的斜率的直线(从位置3a至位置3c的区域)直至曲线上升(在位置3c处)的变换点pLc、Fc、pHc处形成，在该侧边沿处达到和/或超过预定的斜率或者说预定的倾斜角。位置3c位于塑化区B的前三分之一中。在塑化区B中通过活塞3的进给压缩颗粒材料10、11，其中，同时在熔化区D中，在空腔40与喷嘴8之间存在熔体12。经塑化的颗粒材料11由此在混合区C中被挤压到熔体12中。通过使活塞3和类似地使活塞针32朝喷嘴8的方向下降，熔体12已经从喷嘴8中出来，由此实现从喷嘴头6排挤可能仍然存在的空气或者说空气夹杂物。由此，喷嘴8变空。
位置3c由于方法和材料引起地带有公差，由此，在打印头100的不同的、相继执行的再填充过程中，活塞3的位置3c可以是略微不同的。因此，位置3c不是固定的点。如果位置3c位于预给定的公差内，则保证填充过程210是成功的，即足够的颗粒材料10已经被填入到空腔40中并且熔化室81已经填充以熔体12。如果侧边沿例如过远地在位置3c之前开始，则在从活塞底部35直至喷嘴8的区域中高粘性的或者说硬的材料10、11过多，并且在混合区C中的混合过程可能是不成功的。如果侧边沿例如远在位置3c之后才开始，则可能再填充了过少的材料10。
在到达位置3c之后，结束预压缩610，并且打印头100的喷嘴8被封闭620。
为了压缩630，活塞3从位置3c出发压力控制地被进给，直到达到事先定义的峰值压力pd并且活塞底部35已经移动到在图7c中所示的位置3d上。根据材料10和需求而定，峰值压力pd可以位于约100至300bar之间。
随后，对于与材料有关的预定的时间段保持所谓的峰值压力位置3d。在此，活塞底部35伸入到第一加热区65中，并且活塞针32伸入到熔化室81中，并且在保持期间，熔体12的一部分从喷嘴头6的熔化室81通过肾形件7的开口71流回到混合区C中而进入到位于那里的塑性颗粒材料10中。由此，残余空气被排挤，并且熔体12在混合区C中被均匀化。由此实现更好的能量流和产生更均匀的材料11、12。流回的熔体变成塑性的并且被推到肾形件7中的颗粒材料部分11变成熔体状的。由此形成材料11、12的混合。此外，在这里所描述的保持过程640用于分析和用于打印头100的系统检查，因为在压力pL的压力测量时能够产生以下效果：熔体12中的压力pL的压力升高将意味着，熔体12释放气体，因为例如温度TL过高。过高的熔化温度TL是不希望的，因为可能形成空气等离子体，这将导致化学分解。熔体压力pL的强烈压力降例如可能意味着，打印头100的系统是不密封的或者在系统中还有过多的空气。当例如因为打印头100的温度管理没有最优地调设，而在空腔40中存在过多的冷的材料10、11时，可能出现该效果。
在预定的时间段结束之后，活塞3被促动器装置110从峰值压力位置3d压力控制地移回710，直到达到约0bar的目标压力pe。该系统被卸载。由此实现，熔体12是压力卸载的和排气的，由此，尤其在过程区E中形成纯的熔体12，该熔体现在质量上是高品质的并且是能够打印的。在达到目标压力pe时，达到在图7d中所示的目标压力位置3e，其中，活塞底部35在第一加热区65外定位在活塞套筒4的止挡43的区域中。现在所测量的峰值压力位置3d的压力pd与目标压力位置3e的压力pe之间的压力差和在两个点3d、3e之间经过的行程s得出材料的液相12或者说熔体12的弹簧常数740。
弹簧常数由熔体12的可压缩性产生并且导致校正系数或者说形状系数，需要该校正系数或者说形状系数用于通过促动器装置110精确地操控活塞3。由于熔体12的可压缩性，几何上的、通过活塞3经过的活塞行程s的1.2个体积单位例如相应于熔体12的所排出的体积的1.0个体积单位。在没有可压缩性的情况下，该比例为1:1。
由此实现，促动器装置110能够调节地操控活塞3，其中，弹簧常数还能够实现，熔体12的真实排出根据在打印时运动的打印头100的轨迹速度vB达到熔体12的正确的、经计算的体积流。即在每个打印位置处，在打印头100的每个轨迹速度vB的情况下，将各自所需要的熔体12的量施加到构件9上。
随后，经由通过拉回活塞3而主动的解压缩810来准备260将熔体12输出270的过程或者说打印过程270。在此，活塞3根据所求出的弹簧常数被拉回约1至2毫米，由此实现，如果随后打开820喷嘴8或者说喷嘴开口，则没有熔体12从喷嘴8或喷嘴开口出来。在继续保持位置3e时由于现有的打开的系统通过重力的影响将是这种情况。同时，熔体12类似于弹簧地被卸载。
随后，通过压缩开始打印过程的进一步的打印准备。如已经所描述的那样，打印头100的整个系统是可压缩的系统，因为熔体12例如可以具有约20％的压缩。因此，通过活塞3的进给被排挤的体积不相应于所排出的材料的体积，由此可能产生不准确且不均匀的排出。用于打印过程的进给的可能的熔体12的体积由目标位置3e和到图7e中所示的最终位置3z的行程限定。由于上面所描述的效果，熔体12在打印开始时被压缩。熔体12在熔化室81中的压缩在打印开始时一部分通过在“挤出”熔体12时在喷嘴8的喷嘴开口上的摩擦产生，而一部分通过在打印到构件9或衬底载体上时的阻力产生，构件9构造在所述衬底载体上。熔体12的均匀排出通过打印头100的智能调节实现，其中，通过在促动器装置110上使用电子传动装置实现活塞3的以校正系数适配的异步运动。可以说，尤其由熔体12的所求出的弹簧常数740得出的校正系数被混入到该系统中。因此，根据本发明的打印头100不具有类似于常见的NC系统的对同步运动的限制。
在此，压力调节地执行打印过程，其中，永久地通过喷嘴头6中的压力传感器83测量熔体12的压力pL。所测量的压力pL是通过将熔体12排出到构件9或衬底载体(如果尚不存在构件的话)上而产生的压力。在没有打印到对象上的这种效果的情况下，除了摩擦压力外，在喷嘴8上不存在反压力，由此，将从喷嘴8排出过多的材料/熔体12。开启打印过程，其方式是：通过智能调节和操控活塞3主动地将熔体12混入。在此，实施“更多”冲程，以便补偿熔体12的可压缩性。在此，原则上从喷嘴8挤压出过多的熔体12，然而，与熔体12的混入并行地读取压力传感器83，由此可以相应地根据压力进行对应调节。电驱动的促动器装置110经证明为对于这种情况是动态的且非常有效的。
在打印过程270期间连续地测量熔化温度TS，并且在加热区2中，熔体12经由喷嘴头6中的加热元件63被调节到在过程区E的区域中的过程温度的所需的额定值。
在打印开始时，活塞3根据打印头100的轨迹速度被促动器装置110操控，由此，从喷嘴8中排出熔体12。在打印过程期间，打印头100的控制和调节单元113被激活，并且主动地介入到对促动器装置110的操控中，以便例如在需要时混合添加的额定值或者说添加的材料12的量。如果例如混合添加的额定值并且与通过连续的操控相比，由此从喷嘴8中排出或挤压出更多的材料12，则作为结果，在喷嘴头6上的压力也增加。在此，添加的额定值是混入的值或者说必须经过的附加的活塞行程，以便根据由弹簧常数740求出的校正值排出所希望的体积的熔体12。由此实现稳态的状态(eingeschwungener Zustand)，由此，熔体12的排出到构件9上的量保持恒定。
在此，活塞针32的使用引起以下有利效果：通过该活塞针能够实现在熔化室81中的熔体12内的直接体积排挤，由此实现较小的弹簧常数。小的弹簧常数又能够实现打印头100的高动态性。该效果通过以下方式产生：通过活塞针32实现到熔体12上的更直接的压力传递。因此，在活塞3进给时，不但活塞底部35，而且更靠近喷嘴8定位的活塞针32传递用于将熔体12从喷嘴8中排出的压力脉冲。
打印过程能够一直实施，直至活塞底部35到达位置3z，其中，位置3z这样地确定，使得活塞底部35恰好不到达机械止挡，而是如在图7e中所示的那样，在到达肾形件7之前不久停止。然后，不再能够排出材料12，并且重新开始上面所描述的根据本发明的再填充过程。
在图8至13中，对本发明的在之前附图中描述的实施方案补充地示出根据本发明的方法200的方法步骤的各个流程图。
图8示出用于通过供应装置2以可打印的材料10填充210空腔40的方法的流程图，其中，方法210至少包括以下步骤：
-将材料10经由供应装置2的开口23填入310到打印头100中，
-产生320空气脉冲26，用于使材料10、尤其是颗粒材料块10彼此脱离。
手动地或自动化地执行颗粒材料块10的填入310，其中，颗粒材料块10由于重力的影响而滑到供应装置2的下部区域24中。
间歇性地执行空气脉冲26的产生320，并且颗粒材料块10这样地在空气脉冲26的区域中被抛起，使得这些颗粒材料块在落下来时施加脉冲到位于下方的颗粒材料块10上并且激励这些颗粒材料块以继续滑动到打印头100的被加热的空腔40中。
图9示出用于通过活塞3封闭220活塞套筒4的开口横截面21的方法的流程图，其中，方法220包括以下步骤：
-使活塞3进给410，从活塞3的活塞底部35的起始位置3a出发朝喷嘴8的方向直至到达在活塞套筒4的切口44下方的位置3b，其中，
-通过使活塞底部35从切口44旁滑过，剪切420颗粒材料10。
图10示出用于将材料从固相10经由塑相11转化230为液相12的方法的流程图，其中，方法230包括以下步骤：
-通过喷嘴头6的加热元件61、63在打印头100的状态区A、B、C、D、E上加热510材料10、11、12，其中，状态区A、B、C、D、E呈现材料10的与其温度TS相关的聚集态，并且通过引入加热元件61、63的加热能，将材料10、11、12的聚集态在状态区A、B、C、D、E上从固相10经由塑相11改变为液相12，和
-在压缩240期间混合520材料11、12。
图11示出用于压缩240材料10、11、12的方法的流程图。该压缩过程240包括以下步骤：
-通过活塞3的进给预压缩610材料10、11、12，
-封闭620喷嘴8，
-通过活塞3的进给压缩630材料10、11、12，和
-将活塞3保持640在保持位置3d中。
通过活塞3的进给压力控制和/或力控制地执行材料10、11、12的预压缩610，其中，预压缩至位置3c，并且当达到和/或超过力曲线和/或压力曲线的与材料有关的斜率和/或与材料有关的倾斜角时，达到该位置。
在喷嘴8封闭时通过活塞3的进给压力控制地执行材料10、11、12的压缩630，并且在此移动到保持位置3d，直至达到峰值压力pd或者说该保持位置通过峰值压力pd限定。
在压缩630期间，喷嘴8是封闭的，并且活塞针32这样地沉入到喷嘴头6的熔化室81中，使得由此将液相12的一部分从熔化室81的上部区域通过肾形件7的开口71从熔化区D挤回到混合区C中，由此，液相12的该部分与来自塑化区B的塑相11在混合区C中混合。
活塞3被保持在保持位置3d中，其中，在保持过程640期间测量液相12的压力pL和温度TL，并且通过分析处理单元114检验测量值，用于对压缩过程240进行功能检查。
在将活塞3保持640在保持位置3d中期间，喷嘴8是封闭的，并且活塞针32这样地沉入到熔化室81中，使得由此将液相12的一部分从熔化室81的上部区域通过肾形件7的开口71从熔化区D挤回到混合区C中，由此，液相12的该部分与来自塑化区B的塑相11在混合区C中混合。
图12示出用于求取250液相21的弹簧常数的方法的流程图，其中，方法250包括以下步骤：
-在保持640结束之后从保持位置3d朝目标位置3e压力控制地移回710，当熔体压力pL达到目标压力pe时，到达该目标位置。
-求取720峰值压力pd与目标压力pe之间的压力差，
-求取保持位置3d与目标位置3e之间的距离730，
-计算液相12的弹簧常数740。
图13示出用于对液相12进行打印准备260的方法的流程图，其中，方法260包括以下步骤：
-通过根据弹簧常数拉回活塞3对液相12进行主动的解压缩810，
-打开820喷嘴8。

Claims (17)

1.一种用于提供能够打印的熔体(12)以运行用于3D打印机的打印头(100)的方法(200)，
其特征在于，所述方法(200)包括以下步骤：
-通过供应装置(2)以能够打印的材料(10)填充(210)空腔(40)，
-通过活塞(3)的从起始位置(3a)出发朝所述打印头(100)的喷嘴(8)的方向的进给封闭(220)活塞套筒(4)的开口横截面(21)，
-将材料从固相(10)经由塑相(11)转化(230)为液相(12)，
-压缩(240)材料(10、11、12)，
-求取(250)所述液相(12)的弹簧常数，和
-对所述液相(12)进行打印准备(260)。
2.根据权利要求2所述的方法(200)，
其特征在于，至少所述封闭(220)、所述转化(230)、所述压缩(240)、所述弹簧常数的求取(250)和所述打印准备(260)通过由控制和调节单元(113)主动调节促动器装置(110)执行，其中，分析处理单元(114)由传感器(36、82、83、111、112)的测量值得出的结果被传送给所述控制和调节单元(113)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，
其特征在于，通过所述供应装置(2)以能够打印的材料(10)对所述空腔(40)的填充(210)至少包括以下步骤：
-将材料(10)经由所述供应装置(2)的开口(23)填入(310)到所述打印头(100)中，和
-产生(320)空气脉冲(26)，用于使所述材料(10)、尤其是颗粒材料块(10)彼此脱离。
4.根据权利要求3所述的方法(200)，
其特征在于，手动地或自动化地执行所述颗粒材料块(10)的填入(310)，其中，所述颗粒材料块(10)由于重力的影响而滑到所述供应装置(2)的下部区域(24)中。
5.根据权利要求4所述的方法(200)，
其特征在于，间歇性地执行所述空气脉冲(26)的产生(320)，并且所述颗粒材料块(10)这样地在所述空气脉冲(26)的区域中被抛起，使得所述颗粒材料块在落下来时施加脉冲到位于下方的颗粒材料块(10)上并且激励这些颗粒材料块继续滑到所述打印头(100)的被加热的空腔(40)中。
6.根据权利要求1或2所述的方法(200)，
其特征在于，通过所述活塞(3)对所述活塞套筒(4)的开口横截面(21)的封闭(220)包括以下步骤：
-使所述活塞(3)进给(410)，从所述活塞(3)的活塞底部(35)的起始位置(3a)出发朝所述喷嘴(8)的方向直至到达在所述活塞套筒(4)的切口(44)下方的位置(3b)，其中，
-通过使所述活塞底部(35)从所述切口(44)旁滑过，实现所述颗粒材料(10)的剪切(420)。
7.根据权利要求1或2所述的方法(200)，
其特征在于，将材料从固相(10)经由塑相(11)到液相(12)的转化(230)包括以下步骤：
-通过喷嘴头(6)的加热元件(61、63)在所述打印头(100)的状态区(A、B、C、D、E)上加热(510)材料(10、11、12)，其中，所述状态区(A、B、C、D、E)呈现所述材料(10、11、12)的与其温度TS相关的聚集态，并且通过引入所述加热元件(61、63)的加热能，将所述材料(10、11、12)的聚集态在所述状态区(A、B、C、D、E)上从固相(10)经由塑相(11)改变为液相(12)，和
-在所述压缩(240)期间混合(520)所述材料(11、12)。
8.根据权利要求1、2或7所述的方法(200)，
其特征在于，所述材料(10、11、12)的压缩(240)、尤其是所述压缩过程(240)，包括以下步骤：
-通过所述活塞(3)的进给预压缩(610)所述材料(10、11、12)，
-封闭(620)所述喷嘴(8)，
-通过所述活塞(3)的进给压缩(630)所述材料(10、11、12)，
-将所述活塞(3)保持(640)在保持位置(3d)中。
9.根据权利要求8所述的方法(200)，
其特征在于，通过所述活塞(3)的进给压力控制和/或力控制地执行所述材料(10、11、12的)的预压缩(610)，其中，预压缩至一位置(3c)，当达到和/或超过力曲线和/或压力曲线的与材料有关的斜率和/或与材料有关的倾斜角时，到达该位置。
10.根据权利要求8所述的方法(200)，
其特征在于，在喷嘴(8)封闭的情况下通过所述活塞(3)的进给压力控制地执行所述材料(10、11、12)的压缩(630)，并且在此移动到保持位置(3d)，直至达到峰值压力(pd)。
11.根据权利要求8或10所述的方法(200)，
其特征在于，在所述压缩(630)期间，所述喷嘴(8)是封闭的，并且活塞针(32)沉入到所述喷嘴头(6)的熔化室(81)中，使得由此将所述液相(12)的一部分从所述熔化室(81)的上部区域通过肾形件(7)的开口(71)从熔化区(D)挤回到混合区(C)中，由此，所述液相(12)的该部分与来自塑化区(B)的塑相(11)在所述混合区(C)中混合。
12.根据权利要求8或10所述的方法(200)，
其特征在于，所述活塞(3)被保持在所述保持位置(3d)中，其中，在保持过程(640)期间测量所述液相(12)的压力(pL)和温度(TL)，并且通过所述分析处理单元(114)检验所述测量值，用于对所述压缩过程(240)进行功能检查。
13.根据权利要求8或12所述的方法(200)，
其特征在于，在将所述活塞(3)保持(640)在保持位置(3d)中期间，所述喷嘴(8)是封闭的，并且所述活塞针(32)沉入到所述熔化室(81)中，使得由此将所述液相(12)的一部分从所述熔化室(81)的上部区域通过所述肾形件(7)的开口(71)从所述熔化区(D)挤回到所述混合区(C)中，由此，所述液相(12)的该部分与来自所述塑化区(B)的塑相(11)在所述混合区(C)中混合。
14.根据权利要求1或2所述的方法(200)，
其特征在于，所述液相(12)的弹簧常数的求取(250)包括以下步骤：
-在所述保持(640)结束之后从所述保持位置(3d)朝目标位置(3e)压力控制地移回(710)，当所述熔体压力(pL)达到目标压力(pe)时，到达所述目标位置，
-求取所述峰值压力(pd)与所述目标压力(pe)之间的压力差(720)，
-求取所述保持位置(3d)与所述目标位置(3e)之间的距离(730)，
-计算所述液相(12)的弹簧常数(740)。
15.根据权利要求1或2所述的方法(200)，
其特征在于，所述液相(12)的打印准备(260)包括以下步骤：
-通过根据所述弹簧常数拉回所述活塞(3)对所述液相(12)进行主动的解压缩(810)，和
-打开(820)所述喷嘴(8)。
16.一种用于3D打印机的打印头(100)，用于执行根据权利要求1至15中任一项所述的方法(200)，所述打印头包括：
布置在所述打印头(100)的壳体(1)中的促动器装置(110)，用于操控所述活塞(3)，
供应装置(2)，所述供应装置用于能够打印的材料(10)，
布置在所述壳体(1)和所述供应装置(2)上的法兰(5)，所述法兰具有冷却装置(50)，
喷嘴头(6)，所述喷嘴头具有加热元件(61、63)，用于将材料(10)从固相(10)经由塑相(11)转化为液相(12)，和
喷嘴(8)，用于将所述材料(10)的液相(12)从所述喷嘴头(6)中输出，
其特征在于，设置有控制和调节单元(113)，所述控制和调节单元用于主动调节所述促动器装置(110)以根据待实施的运行策略移动所述活塞(3)以进行填充和打印并且用于主动调节所述加热元件(61、63)。
17.根据权利要求16所述的打印头(100)，
其特征在于，所述分析处理单元(114)设置为用于对所述打印头(100)的传感器(36、82、83、111、112)的测量值进行分析处理并且将结果传送给所述控制和调节单元(113)，以主动调节所述促动器装置(110)和主动调节所述加热元件(61、63)。
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