DE102012000873A1

DE102012000873A1 - 3D-Druckkopf mit temperatur-gesteuerter Austrittsöffnung für verkürzte Heiz- und Abkühlzeiten sowie optimiertes Aussehen der Druckstücke

Info

Publication number: DE102012000873A1
Application number: DE201210000873
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-07-25

Abstract

3D-Druckkopf mit Schmelzkammer und mehreren Heiz- und Kühlzonen für verkürzte Heiz- und Abkühlzeiten sowie optimiertes Aussehen der Druckstücke.

Description

3D-Druckkopfe fördern aufschmelzbare Materialien in eine Schmelzkammer in welcher sie auf eine Temperatur gebracht werden, bei der sie fließfähig sind. Durch nachrückendes Material wird die geschmolzene Masse durch einen Austrittskanal/Düsenkanal von nur ca. 0,2 bis 0,5 mm Durchmesser nach Außen gedrückt. Dieses Material formt das zu erstellende Objekt. Der Druckkopf vollführt während der Objekterstellung aber auch Bewegungen im Bauraum während derer kein Material durch die Düse gefördert werden soll (hierfür ist die mechanische Materialzufuhr ausgeschaltet). Gerade dann, wenn zwei Druckköpfe für verschiedenen Materialien am Druck beteiligt sind. Beide Köpfe (A + B) drucken nicht gleichzeitig. Wird Kopf A ausgeschaltet, damit Kopf B sich aufheizen kann, so tropft weiterhin Material solange aus der Düse von A, bis diese sich entweder unter die Erstarrungstemperatur abgekühlt hat oder die Viskosität des Materiales oberhalb der Erstarrungstemperatur so stark zugenommen hat, daß dieses dick-viskose Material den dünnen Düsenkanal wie ein Pfropfen verschließt. Tropfendes Material verunstaltet den Bauraum, gerade, wenn zwei Druckköpfe durch den Bauraum fahren, einer fördert und baut Objekte, der andere „ruht”, tropft aber. Der Zeitraum von der Abschaltung eines Kopfes A bis zum Erreichen der Drucktemperatur des Kopfes B wird hier als Holdprint-Zeit bezeichnet. Diese sollte so kurz wie möglich sein, da sich dieser Prozess bei jedem Layer im Zyklus der Objektentstehung wiederholt.
Mechanische Verschlußsysteme sind bekannt, jedoch nicht zuverlässig, da die Mechaniken aufwendig sind und schnell verkoken. Vom Verwender gewünscht ist ein Verschlußsystem für die Austritts-Düsen, welches schneller funktioniert als bisherige Abkühlprozesse. Vorgeschlagen wird zur Lösung dieses Problemes, die Abkühlung des Materiales innerhalb der Schmelzkammer von der Abkühlung des Materiales im Austrittskanal der Schmelzkammer abzukoppeln. Hierfür ist es sinnvoll, den Austrittskanal separat heiz- und kühlbar zu gestalten. Wird etwa das Material im Austrittskanal auf 170°C (= unterhalb der Erstarrungstemperatur) abgekühlt, während es in der Schmelzkammer bei 250°C gehalten wird, so kann es nicht aus der Düse heraustropfen. Ein weiterer Vorteil ist, daß die separate Düse mit dem darin befindlichen Material schneller wieder auf 250° aufgeheizt, als Dose und Schmelzkammer gemeinsam. Eine Dichtung zwischen Düse und Schmelzkammer vermeidet unnötigen Wärmeübergang. Als zusätzlicher Vorteil kann angesehen werden, daß die Homogenität der Temperaturverteilung der Schmelze in der Schmelzkammer größer ist, je seltener diese erwärmt und abgekühlt werden muß.
In Versuchen hat sich gezeigt, daß ein weithin bekanntes Problem, mit einer temperaturgesteuerten Austrittsöffnung gelöst werden kann. Tritt heißes Material aus einer herkömmlichen Austrittsdüse aus, so bilden sich je nach Temperatur und Schmelz-Viskosität des Materiales

1. Fäden * hinter der Austrittsöffnung
2. Unebenheiten und Rauhigkeiten an der Oberfläche des abgelegten Materiales,
3. Bläschen austretender Gase treten an die Oberfläche, gerade wenn die Schmelze sehr niedrig-viskos ist,

Fig. 1	Stand der Technik: 3D Druckkopf mit mechanischer Förderung des Materiales über hier Andruckrollen und Austrittsöffnung D1
Fig. 2	Druckkopf mit Schmelzvorrichtung und Schmelzraum C und dazugehörigem Austrittskörper D, mit Austritts-Kanal D2, Austrittsöffnung D3 und mit thermischer Barriere durch den Isolationskörper ThB
Fig. 3	Druckkopf mit geschmolzenem Material M1 und Material M2 welches als Pfropfen den Austrittskanal verstopft.
Fig. 4	Austrittskörper, Darstellung mit austretendem Material, dessen Oberflächentemperatur von T1 abweicht.
	Grafische Darstellungen des verkürzten Arbeitszyklus Th-D2 im Vergleich zu Th-C.
Fig. 5	Temperaturverlauf eines herkömmlichen Druckkopfes (Fig. 1) mit einer Schmelzkammer und nur einer Heizeinheit. Der Graph g-C stellt den Temperaturverlauf der Schmelzkammer (C) dar. Das Material wird stetig auf die Print-Temperatur aufgeheizt. Mit dieser Temperatur wird das Objekt gedruckt. Wichtig ist die Länge der Ooze-Free Zeit im Verhältnis zu den jeweiligen Holdprint-Zeiten des Druckkopfes. Während der Ooze-free-Zeit läuft kein Material aus der Austrittsdüse des Druckkopfes 1, weshalb ein zweiter Druckkopf nun drucken kann, ohne das Material von 1 auf das zu bauende Werkstück tropft. Bei STOP wird nicht mehr geheizt bis die Hold_1-Temperatur erreicht ist. Td-C kennzeichnet den Zeitraum dafür. Das Material ist nicht mehr flüssig und kann nicht mehr aus dem Austrittskanal austreten. Ooze-free-Zeit = mögliche Druckzeit eines zweiten Druckkopfes. Die Ooze-free-Zeit ist in beiden Tabellen gleich lang dargestellt.
Fig. 6	Temperaturverlauf eines Druckkopfes mit einer zweifach beheizten Schmelzkammer (Fig. 2) Diese kann während der Holdprint-phase annähernd auf Schmelztemperatur, nämlich auf T-hold 2, gehalten werden, weshalb sie später schneller wieder die Print-Temperatur erreichen wird, als diese der Fall wäre, wenn sie komplett auf T-hold 1 abkühlen müsste. Der Graph g-D2 zeigt den Temperaturverlauf des Materiales im Austrittskanal, bzw. annähernd die Temp in D. Die Holdprint-Zeit Th-D2 ist nun etwa dreimal kürzer als Th-C in Fig. 5 und das bei gleich langer Ooze-free-Zeit, da sich der Austrittskörper schneller aufheizen und abkühlen kann (siehe steilerer Kurvenverlauf als von g-C). Die starke Verkürzung der Holdprint-Zeit ist die entscheidende Verbesserung dieser Erfindung. Drucke, die aus mehreren Druckköpfen gebaut werden, können in erheblich kürzerer Gesamtbau-Zeit erstellt werden.
C	Schmelzkammer
D	Austrittskörper (auch Düsenkörper)
D1	herkömmlicher Austrittskanal; hindurchfließendes Material hat die Temperatur, die auch in der Schmelzkammer vorherrscht
D2	Austrittskanal, der thermisch von der Schmelzkammer C getrennt ist. Die Länge des Austrittskanales ist üblicherweise so kurz wie möglich gehalten, um Reibungsverluste der heißen Schmelze zu verringern. Sie beträgt meist 0,5 bis 1,5 mm. Zur Pfropfbildung ist es jedoch sinnvoll, den Austrittskanal deutlich länger zu gestalten, um die wirksame Fläche für den Wärmeübergang von Metall zum Material zu vergrößern.
D3	Austrittsöffnung, Ende des Austrittskanales
T1	Temperatur Masse in Schmelzkammer
T2	Temperatur des Austrittskörpers (D)
T3	Oberflächen-Temperatur der ausgetretenen Masse
T4	innere Temperatur/Kerntemperatur der Masse
L1	Eintritt Kühlmedium
L2	Austritt Kühlmedium
L3	angedeutete Kühlkanäle innerhalb des Austrittskörpers
H1	Heizvorrichtung der Schmelzkammer
H2	Heizvorrichtung des Austrittskörpers
Z1	Temperaturzone der Schmelzkammer über welcher die Extrusionstemperatur des Objektmaterials gehalten wird.
Z2	Temperaturzone der Austrittsöffnung. Die niedere Temperatur führt zum Erstarren des Materiales und Pfropfenbildung. Der Kanal ist verschlossen (dicht).
M1	Druck-Material in der Schmelzkammer
M2	Druck-Material im Austrittskanal
g-C	Temperaturverlauf der Schmelzkammer und des Materiales darin (nach Fig. 1)
g-D2	Graph g-D2 zeigt den Temperaturverlauf des Materiales im Austrittskanal D2
Td-C	Abkühlzeit von Schmelztemperatur auf T-hold 1, bei der sich das gesamte Material in der Schmelzkammer auf Erstarrungstemperatur abgekühlt hat.
Td-D2	Abkühlzeit des Düsenkörpers auf T hold 1, Das Material in der Schmelzkammer hingegen bleibt heißer, nämlich auf T-hold 2.
Th-C	Holdprint-Zeit, herkömmlicher Druckkopf
Th-D2	Holdprint-Zeit, Druckkopf mit zweifacher Schmelzkammer

Claims

3D-Druckkopf zum Aufschmelzen und schichtweise Ablegen von drahtförmigen Materialien mit mindestens einer Schmelzkammer, zugehörigem Austrittskanal und Austrittsöffnung, gekennzeichnet dadurch, daß der Druckkopf über a) mehr als eine Heizzone, desweiteren über b) mehr als eine Kühlzone verfügt.
Druckkopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß a) die Kühlzone des Austrittskanales der Schmelzkammer die Viskosität des geschmolzenen Materiales im Austrittskanal so stark anhebt, daß sich dessen Fließgeschwindigkeit stark verringert, vorzugsweise gegen Null tendiert, und einen abdichtenden Material-Pfropfen im Austritts-Kanal bildet, wobei b) vorzugsweise die Erstarrungstemperatur des Materiales erreicht wird, sowie c) die Temperatur im Austrittskörper (D) und im Materialpfropf (M2) zu Verschlusszwecken um 10–150 Kelvin, vorzugsweise um mehr als 50 Kelvin geringer als in der benachbarten Schmelzkammer (C) ist.
Durch Pfropfbildung verschließbarer Austrittskanal eines Druckkopfes nach Anspruch 1–2, gekennzeichnet dadurch, daß der Materialpfropf abdichtet gegen a) den Druck der Schmelze trotz aktiver mechanischer Förderung des Materiales, b) gegen den Druck durch Schwerkraft der Schmelze (aussickern), c) gegen Druck durch Entspannung der komprimierten Materialschmelze, auch bei ausgeschalteter Materialförderung.
Temperierbarer Austrittskanal eines Druckkopfes nach Anspruch 1–3, gekennzeichnet dadurch, daß dieser die Erscheinung der Oberfläche des austretenden Materiales verbessert, indem er durch Temperaturänderung um 5–50°C einen Temperaturgradienten im austretenden Material erzeugt, wobei die Oberflächentemperatur des austretenden Materiales gegenüber deren Kerntemperatur um 5–50°C, vorzugsweise um 10–20°C a) erniedrigt oder b) angehoben wird.
Temperierbarer Austrittskanal eines Druckkopfes nach Anspruch 1–4, gekennzeichnet dadurch, daß dieser über a) innen oder außenliegende Kühlkanäle für eine flüssiges oder ein gasförmiges Medium wie Druckluft oder expandierendes Kohlendioxid oder b) über ein Peltierelement gekühlt wird, sowie über c) eine Widerstands-Heizvorrichtung, sowie eine d) Temperatur-Messvorrichtung verfügt.
Temperierbarer Austrittskanal eines Druckkopfes nach Anspruch 1–5, gekennzeichnet dadurch, daß dessen Kanal-Länge 2,0–10 mm, vorzugsweise 2,5–5,0 mm beträgt.