DE102015115231B4 - Method and device for producing 3-dimensional models with a radiation-curing plastic - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Herstellen eines 3-dimensionalen Modells (5) durch schichtweises Auftragen eines Photopolymers mit den Schritten:- kontinuierliches Dispensieren eines Photopolymers mittels eines beweglichen Druckkopfes (3),- Härten des dispensierten Photopolymers mittels einer beweglichen lokalen Strahlungsquelle (4), wobei während des Druckens eine Durchflussmessung vermittels eines Sensors (19) im geschlossenen Regelkreis zur Anpassung der Intensität durch die lokale Strahlungsquelle erfolgt.Method for producing a 3-dimensional model (5) by applying a photopolymer layer by layer, comprising the steps of:- continuously dispensing a photopolymer by means of a movable print head (3),- curing the dispensed photopolymer by means of a movable local radiation source (4), wherein during printing a flow measurement is carried out by means of a sensor (19) in a closed control loop to adjust the intensity by the local radiation source.
Description
Zum 3D-Drucken sind zahlreiche Technologien aus dem Stand der Technik bekannt. Viele dieser Technologien beruhen darauf, dass ein flüssiges Druckmedium während des Druckverfahrens verfestigt wird und hierdurch der gewünschte 3-dimensionalen Gegenstand gebildet wird.There are numerous state-of-the-art technologies for 3D printing. Many of these technologies are based on a liquid printing medium being solidified during the printing process, thereby forming the desired 3-dimensional object.
Aus dem Stand der Technik ist zum Beispiel das Fused Filament Fabrication (FFF) bekannt, bei dem ein unter Raumbedingungen fester Kunststoff mittels einer Heizung in einem Druckkopf verflüssigt wird und dann schichtweise durch Bewegen des Druckkopfes aufgetragen wird, sodass der 3-dimensionale Gegenstand entsteht. Das Dokument
Bei Raumtemperatur erstarrt der zuvor verflüssigte Kunststoff, wodurch schichtweise der 3-dimensionale Gegenstand entsteht. Nachteil dieses Verfahrens ist die Aushärtung. Wegen der Temperaturunterschiede zwischen dem flüssigen und dem festen Polymer können Spannungen in dem 3-dimensionalen Modell auftreten und es kann zu Verformungen kommen. Außerdem ist es ein zeitlich andauernder Erstarrungsprozess.At room temperature, the previously liquefied plastic solidifies, creating the 3-dimensional object layer by layer. The disadvantage of this process is the hardening process. Due to the temperature differences between the liquid and solid polymer, tensions can arise in the 3-dimensional model and deformations can occur. In addition, it is a solidification process that takes time.
Bei der Stereolithographie wird in einem Bad aus flüssigem, Licht aushärtendem Polymer, ein 3-dimensionaler Gegenstand gebildet. Dabei wird üblicherweise ein Laser oder eine UV-Strahlung verwendet, um das Photopolymer schichtweise zu härten. Dokument
Nachteilig ist unter anderem, dass das Photopolymer auf transparente, niedrigviskose Materialien beschränkt ist.One of the disadvantages is that the photopolymer is limited to transparent, low-viscosity materials.
Der Druck von 3-dimensionalen Objekten unter Verwendung von Photopolymeren wird auch mit Hilfe der Inkjet-Technologie durchgeführt. Hierbei kommt eine niedrigviskose Lösung eines Photopolymers zum Einsatz, welche in dünnen Schichten aufgetragen wird und sogleich mittels UV-Strahlung ausgehärtet wird. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, dass auch bei der Inkjet-Technologie die verwendeten Photopolymere auf niedrigviskose Materialien beschränkt sind.Printing 3-dimensional objects using photopolymers is also carried out using inkjet technology. This involves using a low-viscosity solution of a photopolymer, which is applied in thin layers and immediately hardened using UV radiation. The disadvantage of this process is that the photopolymers used in inkjet technology are also limited to low-viscosity materials.
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile, die sich aus dem Stand der Technik ergeben zu beseitigen oder zumindest zu verringern.The object of the invention is to eliminate or at least reduce the disadvantages resulting from the prior art.
Diese Aufgabe wird mit einem 3D-Druckverfahren nach Anspruch 1 und einer 3D-Druckvorrichtung nach Anspruch 8 gelöst. Die Unteransprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.This object is achieved with a 3D printing method according to
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Herstellen eines 3-dimensionalen Modells durch schichtweises Auftragen eines Photopolymers, wobei das Photopolymer kontinuierlich und nicht, wie beim Inkjet-Verfahren tröpfchenweise dispensiert wird. Im Gegensatz zum Inkjet-Verfahren kann hierdurch auch ein hochviskoses Material zum Drucken verwendet werden. Hierdurch kann ein schnellerer Druck erfolgen, da aufgrund größerer Schichtdicken pro Schicht mehr Material abgelegt werden kann. Durch ein kontinuierliches Dispensieren kann allgemein mehr Material abgelegt werden als bei einem tröpfchenweise Dispensieren von Photopolymeren.The method according to the invention is used to produce a 3-dimensional model by applying a photopolymer layer by layer, whereby the photopolymer is dispensed continuously and not drop by drop as in the inkjet method. In contrast to the inkjet method, this also allows a highly viscous material to be used for printing. This enables faster printing as more material can be deposited per layer due to the greater layer thickness. Through continuous dispensing, more material can generally be deposited than with drop by drop dispensing of photopolymers.
Kontinuierlich im Sinne dieser Erfindung dient als Abgrenzung zum tröpfchenweise dispensieren. intermittierendes (kontinuierliches) Dispensieren oder auch kontinuierliches Dispensieren in einem kurzen Zeitintervall ist kontinuierliches Dispensieren im Sinne der vorliegenden Erfindung.Continuous in the sense of this invention serves as a distinction from drop-by-drop dispensing. Intermittent (continuous) dispensing or continuous dispensing in a short time interval is continuous dispensing in the sense of the present invention.
Die Erfindung beschränkt sich aber nicht auf hochviskose Flüssigkeiten, auch wenn diese bevorzugt werden. Da bei Raumtemperatur gedruckt wird, können auch Temperaturempfindliche Stoffe als Füllmaterialien verwendet werden. Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt das Photopolymer mittels eines beweglichen Druckkopfes kontinuierlich dispensiert.However, the invention is not limited to highly viscous liquids, even if these are preferred. Since printing takes place at room temperature, temperature-sensitive substances can also be used as filler materials. According to the invention, in a first step the photopolymer is continuously dispensed using a movable print head.
In einem zweiten Schritt wird das dispensierte Photopolymer mit Hilfe einer beweglichen lokalen Strahlungsquelle gehärtet.In a second step, the dispensed photopolymer is cured using a movable local radiation source.
Die Kombination des kontinuierlichen Dispensierens mit dem Prinzip der Strahlungshärtung hat gegenüber dem Inkjet-Verfahren, der Stereolithographie und gegenüber dem Fused Deposition Modeling erhebliche Vorteile.The combination of continuous dispensing with the principle of radiation curing has considerable advantages over the inkjet process, stereolithography and fused deposition modeling.
Wenn eine hohe Viskosität für das Photopolymer gewählt wird, was erfindungsgemäß möglich ist, können die Schichten bei dem Druck besonders dick sein, was zu einer erhöhten Druckgeschwindigkeit führt. Ein Drucken bei Umgebungstemperatur verhindert Temperaturunterschiede in dem gedruckten Modell, welche zu Spannungen und Verformungen führen können.If a high viscosity is chosen for the photopolymer, which is possible according to the invention, the layers can be particularly thick during printing, which leads to an increased printing speed. Printing at ambient temperature prevents temperature differences in the printed model, which can lead to stresses and deformations.
Erfindungsgemäß wird direkt nach dem Dispensieren und Ablegen des Photopolymers eine (Vor)Härtung des Polymers durch eine lokale und bewegliche Strahlungsquelle bewirkt.According to the invention, immediately after dispensing and depositing the photopolymer, a (pre)curing of the polymer is effected by a local and movable radiation source.
Vorzugsweise erfolgt gemäß einer Ausführungsform ein Nachhärten des gesamten Modells mittels einer Großraum Strahlungsquelle. Lokale- oder Großraum-Strahlungsquellen im Sinne dieser Erfindung können eine UV-Quelle, eine IR-Quelle, Wärmestrahler, insbesondere Infrarot-Strahler, LEDs, Laser, Mikrowellenstrahler, eine Ultraschallquelle, Magnetresonanz oder andere Strahlungsquellen sein.Preferably, according to one embodiment, the entire model is post-cured by means of a large-area radiation source. Local or large-area radiation sources within the meaning of this invention can be a UV source, an IR source, heat radiators, in particular infrared radiators, LEDs, lasers, microwave radiators, an ultrasound source, magnetic resonance or other radiation sources.
Infrarotstrahler eignen sich insbesondere bei Abwesenheit von metallischen Partikeln in dem Dispensierten Material, Mikrowellenstrahler eignen sich insbesondere bei Anwesenheit von metallischen Partikeln in dem Dispensierten Material.Infrared radiators are particularly suitable in the absence of metallic particles in the dispensed material, while microwave radiators are particularly suitable in the presence of metallic particles in the dispensed material.
UV-Strahlungsquellen oder Strahlungsquellen für sichtbare Photonen eigenen sich insbesondere bei transparenten Füllmaterialien.UV radiation sources or radiation sources for visible photons are particularly suitable for transparent filling materials.
Durch die Aufteilung in eine lokalen und eine Großraum-Strahlungsquelle ist es besonders gut möglich, eine neue Schicht des Modells aufzutragen, bevor die vorangehende komplett ausgehärtet ist. Hierdurch ist ein schnellerer Druck möglich.By dividing the radiation source into a local and a large-scale source, it is particularly easy to apply a new layer of the model before the previous one has completely hardened. This enables faster printing.
Es ist zudem möglich durch die lokale Strahlungsquelle nur einen Teil des dispensierten Materials zu härten und den Rest vor der vollständigen Härtung zu entfernen.It is also possible to use the local radiation source to cure only a portion of the dispensed material and remove the rest before complete curing.
Es hat sich gezeigt, dass gerade das kontinuierliche Dispensieren von Photopolymeren besonders gut für das Einbringen von Farb- oder Füllstoffen geeignet ist.It has been shown that the continuous dispensing of photopolymers is particularly suitable for the introduction of dyes or fillers.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Photopolymer vor dem Dispensieren mit dem Füll- oder Farbstoff vermischt.According to one embodiment, the photopolymer is mixed with the filler or dye prior to dispensing.
Gemäß einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform wird ein Füll- oder Farbstoff lediglich in die äußere Schicht des Photopolymers dispensiert und nicht mit dem gesamten Extrudat vermischt.According to another particularly preferred embodiment, a filler or dye is dispensed only into the outer layer of the photopolymer and is not mixed with the entire extrudate.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden Füllstoffe im Inneren des dispensierten Materials angeordnet und von einer Schicht des Photopolymers umgeben.According to a further embodiment, fillers are arranged inside the dispensed material and surrounded by a layer of the photopolymer.
Insgesamt hat sich gezeigt, dass durch eine nicht homogene Verteilung von Füll- und/oder Farbstoffen bezogen auf den Querschnitt des dispensierten Materials (die Füll- und/oder Farbstoffe sind nur in Teilbereichen des dispensierten Materials angeordnet) der Anwendungsbereich des Druckverfahrens deutlich verbreitert wird.Overall, it has been shown that the application range of the printing process is significantly broadened by a non-homogeneous distribution of fillers and/or dyes in relation to the cross-section of the dispensed material (the fillers and/or dyes are only arranged in partial areas of the dispensed material).
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung können zusätzlich Füll- oder Farbstoffe in die äußere Schicht des Photopolymers eingebettet werden.According to a further preferred embodiment, fillers or dyes can additionally be embedded in the outer layer of the photopolymer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden mehrere Schichten von Füll- oder Farbstoffen in das dispensierte Material eingebracht.According to a further embodiment, several layers of fillers or dyes are introduced into the dispensed material.
Als Füllstoffe können auch Metalle, wie zum Beispiel elektrisch leitende Metalle, als Kabel, Faser oder Partikel verwendet werden. Auf diese Art und Weise ist es möglich 3-dimensionale Schaltungen oder Kabelbäume ggf. samt Dämmmaterial zu drucken. Es ist auch möglich Füllstoffe einzubringen, welche die Belastbarkeit des gedruckten Gegenstandes stark erhöhen, wie z.B. Glasfasern, Stahlseile, ausgerichtete Nanopartikel, Karbonfasern, Metallpartikel. Als Füllstoffe können auch Flüssigkeiten dienen, welche keine Photopolymere sind.Metals, such as electrically conductive metals, can also be used as cables, fibers or particles as fillers. In this way, it is possible to print 3-dimensional circuits or cable harnesses, possibly including insulation material. It is also possible to add fillers that greatly increase the load-bearing capacity of the printed object, such as glass fibers, steel cables, aligned nanoparticles, carbon fibers, metal particles. Liquids that are not photopolymers can also be used as fillers.
Gemäß unterschiedlichen Verfahren kann koaxiales oder triaxiales Dispensieren vorgesehen sein. Koaxiales Einziehen einer strukturgebenden Faser (z.B. Carbon-, Glas- oder Stahlfaser) in die Polymermatrix während des Druckens kann optimierte mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig hoher Flexibilität in der Formgebung bieten und ist beispielsweise für den Bau individualisierter Prothesen anwendbar.Depending on the different processes, coaxial or triaxial dispensing can be provided. Coaxial drawing of a structural fiber (e.g. carbon, glass or steel fiber) into the polymer matrix during printing can offer optimized mechanical properties while at the same time providing high flexibility in shaping and can be used, for example, for the construction of individualized prostheses.
In einer triaxialen oder auch quadrupel-Axialen Variante ist der Aufbau von leitfähigem Faserkern, Isolatorpolymer, leitfähigem Polymer und einem finalen, isolierenden Polymer vorgesehen, um so elektrisch geschirmte Kabel für z.B. die Signalführung zu drucken. Mit der vorliegenden Erfindung können Kabelbäume samt Konnektoren gedruckt werden.In a triaxial or quadruple-axial variant, the structure of a conductive fiber core, insulator polymer, conductive polymer and a final, insulating polymer is provided in order to print electrically shielded cables for signal routing, for example. With the present invention, cable harnesses including connectors can be printed.
Analog hierzu können bei der Verwendung von Glasfasern Wellenleitern auf Basis einer zentralen Glasfaser gedruckt werden.Analogously, when using glass fibers, waveguides can be printed based on a central glass fiber.
Bevorzugt werden die Füll- oder Farbstoffe in die Düse vor dem Dispensieren eingebracht.Preferably, the fillers or dyes are introduced into the nozzle before dispensing.
Ein Druckkopf, der dazu ausgebildet ist, derartige dispensierte Materialien herzustellen, ist Teil der vorliegenden Erfindung.A printhead designed to produce such dispensed materials is part of the present invention.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung werden Füll- oder Farbstoffe nach dem Dispensieren in den Photopolymer eingebracht. Dies kann beispielsweise durch Aufsprühen eines Farbstoffes geschehen oder durch Injektion eines Füll- oder Farbstoffes.According to a further embodiment, fillers or dyes are introduced into the photopolymer after dispensing. This can be done, for example, by spraying on a dye or by injecting a filler or dye.
In jedem Fall wird der Füll- oder Farbstoff (wenn dieser gewünscht ist) vor dem Härten mittels der lokalen Strahlungsquelle eingebracht.In any case, the filler or dye (if desired) is introduced using the local radiation source before curing.
Ein besonders schneller Druckvorgang kann erreicht werden, indem noch während des Druckens einer Schicht durch einen Druckkopfes eine weitere Schicht auf die vorangehende Schicht mittels eines zweiten Druckkopfes gedruckt wird. Vor dem Auftragen der zweiten Schicht wird die vorangehende Schicht allerdings mittels der lokalen Strahlungsquelle (vor)gehärtet. Vorzugsweise fährt die lokale Strahlungsquelle dabei den gleichen Pfad ab, den der Druckkopf zuvor beim Drucken der vorangehenden Schicht abgefahren hat.A particularly fast printing process can be achieved by printing another layer onto the previous layer using a second print head while a layer is still being printed by a print head. Before the second layer is applied, however, the previous layer is (pre)hardened using the local radiation source. The local radiation source preferably follows the same path that the print head followed when printing the previous layer.
Vorzugsweise verfügt die lokale Strahlungsquelle über Mittel zur Begrenzung des Lichtstrahls oder zur Fokussierung. Gemäß einer Ausführungsform verfügt die Strahlungsquelle über eine Blende oder mehrere Blenden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform verfügt die lokale Strahlungsquelle über eine Abbildungsoptik, wie beispielsweise eine Linse.Preferably, the local radiation source has means for limiting the light beam or for focusing. According to one embodiment, the radiation source has one or more apertures. According to a further embodiment, the local radiation source has an imaging optics, such as a lens.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Druckkopf mit Hilfe von Polarkoordinaten angesteuert. Hierdurch ist es technisch einfacher, einen zweiten Druckkopf mit dem Drucken einer weiteren Schicht starten zu lassen, noch bevor der der erste Druckkopf die vorangehende Schicht abgeschlossen hat.According to a particularly preferred embodiment, the print head is controlled using polar coordinates. This makes it technically easier to have a second print head start printing a further layer before the first print head has completed the previous layer.
Gemäß einem weiteren Verfahren wird nach dem Härten mittels der lokalen Strahlungsquelle und vor dem Auftragen einer weiteren Schicht die Unebenheit der Oberfläche, auf die die nächste Schicht gedruckt werden soll, mittels eines Sensors erfasst. Dieser Wert bzw. diese Werte werden dann zur Steuerung der Dispersionsgeschwindigkeit oder zur Steuerung des Düsenquerschnitts der Dispensierdüse weitergeleitet, sodass die Unebenheiten beim Druck der folgenden Schicht entsprechend ausgeglichen werden können.According to another method, after curing using the local radiation source and before applying another layer, the unevenness of the surface on which the next layer is to be printed is detected by means of a sensor. This value or these values are then passed on to control the dispersion speed or to control the nozzle cross-section of the dispensing nozzle so that the unevenness can be compensated accordingly when printing the following layer.
Das optische Messverfahren kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung auch für die Vermessung des lateralen Versatzes zwischen nachfolgenden Schichten dienen und einen Abgleich zwischen Soll- und tatsächlicher Struktur erfassen und Lage für Lage eine Korrektur zur Anpassung einrechnen. Somit wird selbst für eine gering ausgelegte und somit kostengünstigere Achsperformance dennoch eine gute Positioniergenauigkeit erzielt.According to a further embodiment, the optical measuring method can also be used to measure the lateral offset between subsequent layers and to record a comparison between the target and actual structure and calculate a correction for adjustment layer by layer. In this way, good positioning accuracy is achieved even for a low-design and therefore more cost-effective axis performance.
Vorzugseise erfolgt eine Durchflussmessung der Düse im geschlossenen Regelkreis.Preferably, the nozzle flow is measured in a closed control loop.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Werte des Sensors an die Steuerung zur Bewegung des Druckkopfes weitergegeben, welcher entsprechend die Bewegung bei konstantem Düsendurchsatz beschleunigt oder verlangsamt um die Unebenheiten auszugleichen.According to a further embodiment, the values of the sensor are passed on to the control for moving the print head, which accordingly accelerates or slows down the movement at a constant nozzle throughput in order to compensate for the unevenness.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Druckvorgang unter Sauerstoff reduzierter Atmosphäre, wie zum Beispiel einer Stickstoff-Atmosphäre oder „in vacuo“ durchgeführt. Dies ermöglicht eine besonders vollständige Aushärtung, da Sauerstoff bedingtes Abbrechen der Polymerisation, die von UV Strahlung durch Radikalbildung erzeugt wird, verhindert wird.According to a further embodiment of the invention, the printing process is carried out under an oxygen-reduced atmosphere, such as a nitrogen atmosphere or “in vacuo”. This enables particularly complete curing, since oxygen-related termination of the polymerization, which is caused by UV radiation through radical formation, is prevented.
Erfindungsgemäß wird zur Durchführung der beschriebenen Verfahren auch eine 3D-Druckvorrichtung vorgeschlagen.According to the invention, a 3D printing device is also proposed for carrying out the described methods.
Demensprechend verfügt eine erfindungsgemäße 3D-Druckvorrichtung über einen Druckkopf, welcher dafür vorgesehen ist, Photopolymere kontinuierlich zu dispensieren. Die erfindungsgemäße 3D-Druckvorrichtung weist zudem eine bewegliche lokale Strahlungsquelle auf, welche dazu ausgebildet und so angeordnet ist, dass sie das extrudierte Photopolymer lokal zumindest teilweise härtet. Abhängig von dem verwendeten Photopolymer muss die dispensierte Masse kürzer oder länger bzw. mit einer stärkeren Strahlungsquelle oder mit einer schwächeren Strahlungsquelle beaufschlagt werden um zumindest vorzuhärten.Accordingly, a 3D printing device according to the invention has a print head which is intended to continuously dispense photopolymers. The 3D printing device according to the invention also has a movable local radiation source which is designed and arranged in such a way that it locally at least partially hardens the extruded photopolymer. Depending on the photopolymer used, the dispensed mass must be exposed to a stronger or weaker radiation source for a shorter or longer time in order to at least pre-harden it.
Die erfindungsgemäße 3D-Druckvorrichtung besitzt deshalb vorzugsweise eine Steuerung, welche eine entsprechende Anpassung der Bestrahlungsdauer und/oder Intensität ermöglicht. Gemäß einer Ausführungsform ist eine automatische Anpassung der Bestrahlungsdauer und/oder Intensität an das Polymer und/oder den aktuellen Härtezustand vorgesehen.The 3D printing device according to the invention therefore preferably has a control which enables a corresponding adjustment of the irradiation duration and/or intensity. According to one embodiment, an automatic adjustment of the irradiation duration and/or intensity to the polymer and/or the current hardness state is provided.
Bei einer bestimmten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, Abschnitte des Dispensierten Materials mit der lokalen Strahlungsquelle nicht, nur sehr gering, nur sehr kurz oder nur punktuell zu bestrahlen. Dadurch ist es möglich Stützstrukturen für ein 3D-Modell aus dem Photopolymer zu bilden und vor dem Härten mittels der Großraum-Strahlungsquelle wieder zu entfernen. Vorzugsweise kann in diesem Falle auch ein Laser als lokale bewegliche Strahlungsquelle oder zusätzlich zu der lokalen, beweglichen Strahlungsquelle vorgesehen sein. Im Gegensatz zum Lasersintern kann durch geringes Vorhärten eine später leicht zu entfernende Stützstruktur gebildet werden.In a specific embodiment of the invention, sections of the dispensed material are not irradiated with the local radiation source, only very slightly, only very briefly or only selectively. This makes it possible to form support structures for a 3D model from the photopolymer and to remove them again before hardening using the large-scale radiation source. In this case, a laser can preferably also be provided as a local, movable radiation source or in addition to the local, movable radiation source. In contrast to laser sintering, a support structure that can later be easily removed can be formed by means of a slight pre-hardening.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine schaltbare UV LED Matrix vorgesehen, welche so nah am Ausdruck geführt wird, dass „in proximity“ direkt gehärtet wird. Für die verschiedenen Druckbreiten werden unterschiedlich viele LEDs eingeschaltet werden.According to a further embodiment, a switchable UV LED matrix is provided, which is guided so close to the print that curing takes place directly "in proximity". Different numbers of LEDs are switched on for the different print widths.
Vorzugsweise weist die 3D-Druckvorrichtung wenigstens eine Zufuhreinheit für Füllstoffe oder Farbstoffe auf. Nach einer Ausgestaltung werden die Füll- oder Farbstoffe vor dem Extrudieren in die Düse eingeleitet und mit dem Photopolymer vermischt. Gemäß einer anderen Ausgestaltung werden die Füll- oder Farbstoffe jedoch so in die Düse eingegeben und die Düse ist entsprechend ausgestaltet, dass die Füll- oder Farbstoffe lokal begrenzt in dem Extrudat angeordnet sind.Preferably, the 3D printing device has at least one supply unit for fillers or Dyes. According to one embodiment, the fillers or dyes are introduced into the nozzle before extrusion and mixed with the photopolymer. According to another embodiment, however, the fillers or dyes are introduced into the nozzle in such a way and the nozzle is designed accordingly that the fillers or dyes are arranged locally in the extrudate.
Beispielsweise kann die Zufuhreinheit und die Düse der Druckvorrichtung dazu ausgebildet sein, im Inneren des dispensierten Materials einen Füllstoff anzuordnen, welcher von dem Photopolymer umgeben ist, wobei die Druckvorrichtung gleichzeitig dazu ausgebildet ist, in der Nähe der äußeren Mantelfläche des extrudierten Materials einen Farbstoffe einzubringen. Das Füllmaterial kann eine durchgehende Faser oder auch Partikel sein. Im Falle von Partikeln ist gemäß einer Ausführung vorgesehen diese Auszurichten und zu ordnen.For example, the feed unit and the nozzle of the printing device can be designed to arrange a filler inside the dispensed material, which is surrounded by the photopolymer, wherein the printing device is simultaneously designed to introduce a dye near the outer surface of the extruded material. The filler material can be a continuous fiber or particles. In the case of particles, according to one embodiment, these are to be aligned and arranged.
Durch die nicht-homogene Verteilung von Füll- und/oder Farbstoffen im Photopolymer ist es möglich, Materialien - wie zum Beispiel Farbstoffe oder Füllstoffe - einzusparen. Gleichzeitig wird die Bandbreite an möglichen Materialeigenschaften des dispensierten Materials durch die nicht homogene Verteilung von Füll- und/oder Farbstoffen im dispensierten Material erheblich vergrößert. Dies ist auch einer der Haupt-Vorteile gegenüber der Inkjet-Technologie.The non-homogeneous distribution of fillers and/or dyes in the photopolymer makes it possible to save materials such as dyes or fillers. At the same time, the range of possible material properties of the dispensed material is significantly increased by the non-homogeneous distribution of fillers and/or dyes in the dispensed material. This is also one of the main advantages over inkjet technology.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden in das dispensierte Material Hohlräume eingebracht. Dies kann mit Hilfe eines oder mehrerer fester oder auch gesteuerter bzw. variabler Dorne erfolgen, welche in der Düse angeordnet sind. So kann beispielsweise ein Dorn vorgesehen sein, welcher ein- und ausklappbar ausgebildet ist und/oder seine Form verändern kann.According to a further embodiment, cavities are introduced into the dispensed material. This can be done with the help of one or more fixed or controlled or variable mandrels which are arranged in the nozzle. For example, a mandrel can be provided which is designed to be foldable in and out and/or can change its shape.
Durch die Schaffung von Hohlräumen in einem 3-dimensionalen Modell können optischer Effekte erreicht, mechanischer Eigenschaften verbessert und kapillarer Eigenschaften für nachträgliches Befüllen mit Flüssigkeiten und Gasen erzeugt werden.By creating cavities in a 3-dimensional model, optical effects can be achieved, mechanical properties improved and capillary properties created for subsequent filling with liquids and gases.
Nach einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, Hohlräume durch das Einbringen von Gasen zu erzeugen. Auch das Einbringen von Gasen ist bevorzugt regelbar ausgebildet.According to another embodiment, hollow spaces are created by introducing gases. The introduction of gases is also preferably designed to be controllable.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Zufuhrvorrichtung so angeordnet und so ausgebildet, dass sie die Füll- und/oder Farbstoffe nach dem Dispensieren auf das dispensierte Material aufbringt oder in dieses injiziert. In jedem Fall ist die Zufuhrvorrichtung aber so ausgebildet, dass die Füll- oder Farbstoffe vor dem (vor)Härten mittels der lokalen Strahlungsquelle ein- bzw. aufgebracht werden.According to a further embodiment, the feed device is arranged and designed such that it applies the fillers and/or dyes to the dispensed material after dispensing or injects them into it. In any case, however, the feed device is designed such that the fillers or dyes are introduced or applied before (pre)curing by means of the local radiation source.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verfügt die 3D-Druckvorrichtung über wenigstens zwei Druckköpfe, wobei der zweite Druckkopf so angeordnet und so gesteuert ist, dass er eine neue Schicht des Photopolymers auf die vorangehende Schicht druckt, während der erste Druckkopf noch die vorangehende Schicht druckt. Dies ist besonders gut mit einer 3D-Druckvorrichtung zu erreichen, bei der die Druckköpfe mittels Polarkoordinaten angesteuert werden.According to a preferred embodiment, the 3D printing device has at least two print heads, wherein the second print head is arranged and controlled such that it prints a new layer of the photopolymer on the previous layer while the first print head is still printing the previous layer. This can be achieved particularly well with a 3D printing device in which the print heads are controlled by means of polar coordinates.
Die 3D-Druckvorrichtung weist in diesem Falle vorzugsweise eine Grundplatte auf, auf der die 3-dimensionalen Modelle gedruckt werden, wenigstens einen Druckkopf, wenigstens zwei Antriebseinheiten zur Veränderung der Position des Druckkopfes in einer parallel zur Grundplatte verlaufenden Ebene, wobei die wenigstens eine Antriebseinheit ein parallel zur Grundplatte rotierbares Tragwerk antreibt, auf dem wenigstens 1 Druckkopf angeordnet ist, der mit Hilfe einer weiteren Antriebseinheit in der Rotationsebene des Tragwerks bewegbar ist.In this case, the 3D printing device preferably has a base plate on which the 3-dimensional models are printed, at least one print head, at least two drive units for changing the position of the print head in a plane running parallel to the base plate, wherein the at least one drive unit drives a support structure that can be rotated parallel to the base plate and on which at least one print head is arranged, which can be moved in the rotation plane of the support structure with the aid of a further drive unit.
Ein Tragwerk nach dieser Anmeldung ist eine Vorrichtung, die einen Druckkopf trägt und kann beispielsweise als Arm oder Scheibe ausgeführt sein, welche an einer orthogonal zur Grundplatte verlaufenden Welle angeordnet ist.A support structure according to this application is a device that supports a print head and can, for example, be designed as an arm or disk which is arranged on a shaft running orthogonally to the base plate.
Vorzugsweise sind wenigstens zwei Druckköpfe vorgesehen, welche bevorzugt separat voneinander bewegt werden können.Preferably, at least two print heads are provided, which can preferably be moved separately from one another.
Die wenigstens eine bewegliche lokale Strahlungsquelle ist bevorzugt so angeordnet und so gesteuert, dass sie vor dem Auftragen einer weiteren Schicht z.B. durch einen zweiten Druckkopf die vorangehende Schicht lokal härtet. Dabei kann die lokale Strahlungsquelle gemäß einer Ausführungsform fest mit dem Druckkopf verbunden sein bzw. es können die lokalen Druckköpfe fest mit den lokalen Strahlungsquellen verbunden sein.The at least one movable local radiation source is preferably arranged and controlled in such a way that it locally hardens the preceding layer before the application of a further layer, e.g. by a second print head. According to one embodiment, the local radiation source can be firmly connected to the print head or the local print heads can be firmly connected to the local radiation sources.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die wenigsten eine lokale Strahlungsquelle aber auch unabhängig von dem Druckkopf oder den Druckköpfen bewegbar angeordnet sein.According to a further embodiment, the at least one local radiation source can also be arranged to be movable independently of the print head or the print heads.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung verfügt diese über einen Sensor, welcher so angeordnet und dazu ausgebildet ist, dass er nach der Härtung des Photopolymers mit der wenigstens einen lokalen beweglichen Strahlungsquelle und vor der Auftragung einer weitere Schicht mittels des gleichen oder eines zweiten Druckkopfes eine Messung der Unebenheit der Oberfläche durchführt. Dabei wird der Abstand der Schicht, auf die eine weitere Schicht aufgetragen werden soll, zum Druckkopf ermittelt. Ein solcher Sensor kann beispielsweise fest mit dem Druckkopf verbunden sein und in Bewegungsrichtung der Düse des Druckkopfes vorauseilen. Auf diese Art und Weise können die Ergebnisse der Messungen zur Anpassung der Dispensiergeschwindigkeit und/oder des Massestroms und/oder der Dauer und/oder Intensität der vor(Härtung) durch die lokale bewegliche Strahlungsquelle herangezogen werden.According to a further embodiment of the 3D printing device according to the invention, it has a sensor which is arranged and designed such that after the curing of the photopolymer with the at least one local movable radiation source and before the application of a further layer by means of the same or a second print head, it measures the unevenness of the surface. The distance of the layer on which another layer is to be applied from the print head is determined. Such a sensor can, for example, be firmly connected to the print head and move ahead of the nozzle of the print head in the direction of movement. In this way, the results of the measurements can be used to adjust the dispensing speed and/or the mass flow and/or the duration and/or intensity of the pre-curing by the local moving radiation source.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform verfügt die 3D-Druckvorrichtung über eine Großraum-Strahlungsquelle, welche dazu ausgebildet ist, ein Durchhärten des gesamten Modells zu bewirken. Eine Großraum-Härtung mittels einer Strahlungsquelle kann nach einer Ausführung simultan während des Druckens stattfinden. Nach einer zweiten Ausführung findet ein Härten durch ein intermittierendes Härten in gewissen Abschnitten (Unterbrechung des Druckes) statt. Gemäß einer weiteren Variante findet das Härten im Anschluss an den Druckvorgang statt (post curing).According to a further embodiment, the 3D printing device has a large-scale radiation source which is designed to cause the entire model to harden. In one embodiment, large-scale hardening using a radiation source can take place simultaneously during printing. In a second embodiment, hardening takes place by intermittent hardening in certain sections (interruption of printing). According to a further variant, hardening takes place after the printing process (post-curing).
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind aus den Figuren und nachfolgender Figurenbeschreibung zu entnehmen.Further advantageous embodiments can be seen from the figures and the following figure description.
Dabei zeigen:
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1 eine seitliche Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung, -
2 eine Draufsicht auf ein Tragwerk, welches einen oder mehrere Druckköpfe trägt, -
3 eine schematische Ansicht einer Druckkopf-Düse mit Zufuhrvorrichtungen Für Farb- und Füllstoffe, -
4 eine schematische Darstellung der Regelung des Druckkopfes, -
5 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung mit einem in das rotierbare Tragwerk integrierten rotierbaren Tragwerk, -
6 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung mit zwei in das rotierbare Tragwerk integrierte rotierbare Tragwerke.
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1 a side cross-sectional view of the 3D printing device according to the invention, -
2 a plan view of a supporting structure carrying one or more print heads, -
3 a schematic view of a print head nozzle with supply devices for dyes and fillers, -
4 a schematic representation of the print head control, -
5 a plan view of an embodiment of the invention with a rotatable support structure integrated into the rotatable support structure, -
6 a plan view of an embodiment of the invention with two rotatable supporting structures integrated into the rotatable supporting structure.
Der Druckkopf 3 ist an einem rotierbaren Tragwerk 2 angebracht. Dieses rotierbare Tragwerk 2 wird über eine Welle 7 von einer hier nicht dargestellten Antriebseinheit angetrieben. Mit Hilfe der Welle 7 ist das rotierbare Tragwerk gegenüber der Grundplatte 6 verschiebbar ausgebildet.The
Der Druckkopf ist durch einen in radialer Richtung ausgebildeten Schlitz 8 (siehe
An dem Tragwerk ist eine nicht dargestellte Antriebseinheit angeordnet, durch welche der Druckkopf 3 in radialer Richtung R bewegbar ist.A drive unit (not shown) is arranged on the supporting structure, by means of which the
Zu Beginn des Druckvorgangs nähert sich das Tragwerk der Grundplatte 6, sodass die Spitze des Druckkopfes 3 fast die Grundplatte 6 der 3D-Druckvorrichtung 1 berührt. Nun wird der Druckkopf entlang eines vorgegebenen Pfades in der parallel zur Grundplatte 6 ausgebildeten Ebene bewegt und Masse wird dispensiert.At the beginning of the printing process, the support structure approaches the
Der Pfad wird in dieser Ausführungsform in Polarkoordinaten ausgegeben. Das heißt, dass mit Hilfe des Winkels, um den die Welle 7 gedreht wird und mit Hilfe des Abstandes des Druckkopfes von der Welle 7 in radialer Richtung jeder gewünschte Punkt auf der Grundplatte angesteuert werden kann. Durch die lokale bewegliche UV-Strahlungsquelle 15 wird das dispensierte und auf der Grundplatte abgelegte Material sofort (vor)gehärtet.In this embodiment, the path is output in polar coordinates. This means that with the help of the angle by which the
Mit jeder neuen gedruckten Schicht wird das rotierbare Tragwerk 2, der Druckkopf, und die Welle 7 ein Stück von der Grundplatte 6 entfernt. Hierdurch wächst das Modell 5 . Spätestens am Ende des Druckvorgangs, aber gemäß anderer Ausführungsformen auch während zeitlichen Abschnitten des Druckvorgangs oder während des gesamten Druckvorgangs sind die Großraum Strahlungsquellen 14 eingeschaltet. Sie sind dazu ausgebildet, das Modell vollständig zu härten. Eine hier nicht dargestellt Steuerung der Großraum-Strahlungsquelle steuert die Intensität und/oder Dauer der Strahlung in Abhängigkeit von dem Modell 5 bzw. in Abhängigkeit des für das Modell gewählten Materials und/oder in Abhängigkeit von der Dicke des Materials im Modell 5 .With each new printed layer, the
Gemäß einer hier nicht dargestellten Ausführung ist der Drucktisch bei der Großraumbestrahlung zusätzlich noch dazu ausgebildet zu rotieren, bzw. auch der „Strahlungs-Käfig“ kann ausgebildet sein, um das Objekt zu rotieren. Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Großraum-Strahlungsquelle dazu ausgebildet, eine scannende (vertikale) Fahrt durchführen zu können.According to an embodiment not shown here, the printing table is additionally designed to rotate during large-scale irradiation, or the "radiation cage" can also be designed to rotate the object. According to a further embodiment, the large-scale radiation source is designed to be able to carry out a scanning (vertical) movement.
Über die Zufuhreinheiten 15 gelangen die Farb- und Füllstoffe mit dem Photopolymer zusammen und werden gemeinsam mit dem Photopolymer dispensiert. Um die Spitze des Druckkopfes 3 herum ist eine lokale, bewegliche Strahlungsquelle angeordnet. Um zu verhindern, dass das dispensierte Material schon beim Verlassen der Spitze des Druckkopfes und noch bevor es auf der Grundfläche 6 oder auf der vorangehenden Schicht des Modells 5 abgelegt worden ist härtet, wird eine direkte Bestrahlung des Austritts des Photopolymers aus dem Druckkopf 3 durch eine Blende 20 verhindert.The colorants and fillers come together with the photopolymer via the
Der Druckkopf 3 ist nach dieser Ausführungsform so ausgebildet, dass die Füllstoffe im Inneren des dispensierten Materials eingeschlossen werden, ohne sich mit dem Photopolymer komplett zu vermischen. Die Farbstoffe werden bei dieser Anordnung des Druckkopfs so in das Photopolymer eingebracht, dass es zu einer Vermischung kommt und das dispensierte Material eine einheitliche Farbe aufweist.According to this embodiment, the
Der Druckkopf weist zudem hier nicht dargestellte Stelleinrichtungen auf, mit denen die Massen- bzw. Volumenströme des Photopolymers sowie der Füll- und Farbstoffe separat voneinander gesteuert werden können. Vorzugsweise sind ebenfalls Sensoren zur Erfassung des Massestroms des Photopolymers und/oder der Füll- und/oder Farbstoffe vorgesehen.The print head also has control devices (not shown here) with which the mass or volume flows of the photopolymer and the fillers and dyes can be controlled separately from one another. Preferably, sensors are also provided for detecting the mass flow of the photopolymer and/or the fillers and/or dyes.
Hier nicht dargestellt kann auch noch ein Sensor zur Erfassung der Unebenheit der Grundplatte und/oder der Schicht, auf die gedruckt werden soll vorgesehen sein. In diesem Fall werden die Ergebnisse des Abstandes zwischen dem Druckkopf und der zu bedruckenden Oberfläche zur Steuerung des Düsenquerschnittes und/oder zur Steuerung der Intensität und/oder Bestrahlungsdauer durch die lokale Strahlungsquelle herangezogen.A sensor (not shown here) can also be provided to detect the unevenness of the base plate and/or the layer on which printing is to take place. In this case, the results of the distance between the print head and the surface to be printed are used to control the nozzle cross-section and/or to control the intensity and/or irradiation duration by the local radiation source.
Der Abstand zwischen der hier nicht dargestellten Grundplatte 6 und dem Druckkopf 3 kann bei dieser Ausführungsform auch durch Bewegung der Grundplatte 6 in einer orthogonal zur Grundplatte 6 verlaufenden Richtung erfolgen. Um den Druckkopf herum ist eine lokale Strahlungsquelle 4 angeordnet. Seitlich der Grundplatte sind zwei Großraum-Strahlungsquellen 14 angeordnet, welche ein Aushärten des gesamten Modells 5 bewirken können.In this embodiment, the distance between the base plate 6 (not shown here) and the
Über die beschriebene Welle 7 kann der Abstand zwischen der Grundplatte 6 und den Druckköpfen 3 variiert werden. Da die Radien der Tragwerke 12 (hier als Scheiben ausgebildet) nicht bis zur Drehachse des Tragwerks 2 reichen, ist bei dieser Ausführungsform eine S-förmige Druckkopf-Düse bzw. ein Druckkopf-Ansatzstück notwendig, um auch direkt unterhalb der Drehachse des Tragwerks 2 einen Materialauftragung bewirken zu können. Nach der Materialauftragung wird der Photopolymer mit Hilfe der lokalen beweglichen Strahlungsquellen 13 (vor)gehärtet. Nach Fertigstellung des Modells 5 werden die 3 Großraum Strahlungsquellen 14 angeschaltet und bewirken ein vollständiges Härten des Photopolymers.The distance between the
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