DE102016222525A1 - Printhead for 3D printers with nimble response - Google Patents

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Abstract

Druckkopf (10) für einen 3D-Drucker, umfassend ein Arbeitsvolumen (17) zur Aufnahme eines in seiner Viskosität veränderlichen Ausgangsmaterials (20), wobei das Arbeitsvolumen (17) eine Austrittsöffnung (16) aufweist, durch die eine flüssige Phase (22) des Ausgangsmaterials (20) durch Einleitung von Druck p in die flüssige Phase (22) extrudierbar ist, wobei Mittel (12) zur Einleitung des Drucks p im Bereich (16a) der Austrittsöffnung (16) vorgesehen sind.Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes (10), wobei zur Unterbrechung des Druckvorgangs zuerst ein Stempel (13a) in Eingriff mit der Austrittsöffnung (16) gebracht und dann die Temperatur T im Arbeitsvolumen (17 unter die Temperatur T, ab der das Ausgangsmaterial (20) plastifiziert, abgesenkt wird.A printing head (10) for a 3D printer, comprising a working volume (17) for receiving a viscosity-variable starting material (20), the working volume (17) having an outlet opening (16) through which a liquid phase (22) of the Starting material (20) by introducing pressure p in the liquid phase (22) is extrudable, wherein means (12) for introducing the pressure p in the region (16 a) of the outlet opening (16) vorgesehen.Verfahren for operating a printhead (10) in that, to interrupt the printing operation, first a punch (13a) is brought into engagement with the outlet opening (16) and then the temperature T in the working volume (17 below the temperature T at which the starting material (20) plasticizes is lowered.

Description

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

Stand der TechnikState of the art

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

Der Druckkopf hat einen ersten Betriebszustand, in dem flüssiges Material aus ihm austritt, und einen zweiten Betriebszustand, in dem kein flüssiges Material aus ihm austritt. Der zweite Betriebszustand wird beispielsweise dann eingenommen, wenn eine andere Position auf der Arbeitsfläche angefahren werden und auf dem Weg dorthin kein Material deponiert werden soll. Zwischen den beiden Betriebszuständen des Druckkopfes kann beispielsweise umgeschaltet werden, indem der Vortrieb des festen Ausgangsmaterials ein- bzw. ausgeschaltet wird.The printhead has a first mode of operation in which liquid material exits therefrom and a second mode of operation in which no liquid material exits therefrom. The second operating state is assumed, for example, when a different position is approached on the work surface and no material is to be deposited on the way there. For example, it is possible to switch between the two operating states of the print head by switching on or off the propulsion of the solid starting material.

Die US 9 314 970 B2 offenbart, den Druckkopf durch das Öffnen eines normalgeschlossenen Nadelventils, das die Austrittsöffnung des Druckkopfes verschließt, vom nicht druckenden in den druckenden Zustand umzuschalten. Die US 9 415 591 B2 offenbart, an der Austrittsöffnung des Druckkopfes einen Meniskus des flüssigen Materials zu bilden, aus dem durch elektrostatische Kräfte einzelne Tropfen herausgelöst werden können.The US 9 314 970 B2 discloses switching the print head from non-printing to printing by opening a normally closed needle valve which closes the exit opening of the print head. The US Pat. No. 9,415,591 B2 discloses to form at the exit opening of the printhead a meniscus of the liquid material, from which individual drops can be liberated by electrostatic forces.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Druckkopf für einen 3D-Drucker entwickelt. Dieser Druckkopf umfasst ein Arbeitsvolumen zur Aufnahme eines in seiner Viskosität veränderlichen Ausgangsmaterials. Das Arbeitsvolumen weist eine Austrittsöffnung auf, durch die eine flüssige Phase des Ausgangsmaterials durch Einleitung von Druck p in die flüssige Phase extrudierbar ist.Within the scope of the invention, a print head for a 3D printer has been developed. This printhead comprises a working volume for receiving a variable in its viscosity starting material. The working volume has an outlet opening through which a liquid phase of the starting material can be extruded by introducing pressure p into the liquid phase.

Erfindungsgemäß sind Mittel zur Einleitung des Drucks p im Bereich der Austrittsöffnung vorgesehen.According to the invention means are provided for introducing the pressure p in the region of the outlet opening.

Dabei ist „im Bereich der Austrittsöffnung“ dahingehend zu verstehen, dass sich der Druck p in der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials zwischen dem Ort, an dem der Druck p eingeleitet wird, und der Austrittsöffnung nicht oder nur unwesentlich ändert.Here, "in the region of the outlet opening" is to be understood as meaning that the pressure p in the liquid phase of the starting material does not change or only insignificantly changes between the location at which the pressure p is introduced and the outlet opening.

Es wurde erkannt, dass auf diese Weise der Druckkopf schnell zwischen dem druckenden und dem nicht druckenden Zustand umgeschaltet werden kann. Bei 3D-Druckern, die den Druck p ausschließlich über die Zuführung des Ausgangsmaterials in fester oder flüssiger Form einleiten, gibt es einen grundsätzlichen Zielkonflikt: Da ein thermoplastisches Ausgangsmaterial sehr häufig strukturviskos mit viskoelastischen Anteilen ist, ist es komprimierbar. Wird ein Druck p in einen großen Vorrat des Ausgangsmaterials eingeleitet, entsteht eine Hysterese in Zeit und Volumen zwischen der Einleitung des Drucks p und dem Austritt der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials aus der Austrittsöffnung. Die Einleitung des Drucks p komprimiert zunächst das Ausgangsmateiral, bevor dessen flüssige Phase beginnt, aus der Austrittsöffnung auszutreten. Umgekehrt fließt das Ausgangsmaterial bei Entlastung des eingeleiteten Drucks p noch nach, bis der bei Beginn des Druckvorgangs im Ausgangsmaterial gespeicherte Druck abgebaut wurde. Um derartigen Effekten entgegenzuwirken, kann das Arbeitsvolumen, in dem die flüssige Phase des Ausgangsmaterials vorgehalten wird, verkleinert werden. Dies schafft jedoch neue Probleme:It has been recognized that in this way, the printhead can be quickly switched between the printing and the non-printing state. There is a fundamental conflict of objectives for 3D printers which initiate the pressure p exclusively by supplying the starting material in solid or liquid form. Since a thermoplastic starting material is very often structurally viscous with viscoelastic fractions, it is compressible. When a pressure p is introduced into a large supply of starting material, there is a hysteresis in time and volume between the initiation of the pressure p and the exit of the liquid phase of the starting material from the outlet. The introduction of the pressure p first compresses the Ausgangsmateiral before the liquid phase begins to emerge from the outlet opening. Conversely, when the pressure p is released, the starting material continues to flow until the pressure stored in the starting material at the beginning of the printing process has been reduced. To counteract such effects, the working volume in which the liquid phase of the starting material is kept, can be reduced. However, this creates new problems:

Es steht weniger Zeit für das Aufschmelzen des Ausgangsmaterials zur Verfügung, und die Schmelze wird heterogen, so dass das Ausgangsmaterial verklumpen kann. Ein kleinerer Druckkopf benötigt weiterhin einen höheren Druck, so dass bei einem gegebenen Druck eventuell kein oder zu wenig Ausgangsmaterial austritt.There is less time to melt the starting material and the melt becomes heterogeneous so that the starting material may clump. A smaller printhead still requires a higher pressure, so that at a given pressure, no or too little starting material may leak out.

Weiterhin bedingt ein kleineres Arbeitsvolumen bei Druckköpfen, die nur zyklisch betrieben werden können, ein häufigeres Nachfüllen von Ausgangsmaterial, und somit auch häufigere Unterbrechungen des Druckvorgangs. Um wiederum in ein wesentlich kleineres Arbeitsvolumen Ausgangsmaterial nachzufüllen, wäre es notwendig, das Ausgangsmaterial deutlich feiner zu zerkleinern. Dies ist bei vielen Ausgangsmaterialien entweder nicht oder nur unter Inkaufnahme einer starken Schädigung des Ausgangsmaterials möglich.Furthermore, a smaller working volume for printheads, which can only be operated cyclically, a more frequent refilling of starting material, and thus more frequent interruptions of the printing process. In order to refill starting material into a much smaller working volume, it would be necessary to crush the starting material much finer. For many starting materials, this is either not possible or only at the cost of severe damage to the starting material.

Die Erfindung bietet also besondere Vorteile bei zyklisch betriebenen Druckköpfen. Sie ist aber nicht auf solche Druckköpfe beschränkt, sondern beispielsweise auch bei einem kontinuierlich arbeitenden Druckkopf nach dem Fused Deposition Modelling (FDM)-Prinzip anwendbar.The invention thus offers particular advantages in cyclically operated printheads. However, it is not limited to such printheads, but for example, in a continuous printhead according to the Fused Deposition Modeling (FDM) principle applicable.

Gemäß der Erfindung werden die beschriebenen Hystereseeffekte stark abgemildert, so dass der Druckkopf schneller auf das Kommando zum Umschalten zwischen dem druckenden und dem nicht druckenden Zustand reagiert. Im Endeffekt ist dadurch auch das erhaltene Druckergebnis näher an der ursprünglich zum Drucken vorgegebenen dreidimensionalen Struktur. Dies ist besonders dann wichtig, wenn ein Bauteil zu drucken ist, das mit einem anderen, bereits vorhandenen oder ebenfalls zu druckenden, Bauteil zusammenwirken oder sogar eine mediendichte Verbindung herstellen soll. In accordance with the invention, the hysteresis effects described are greatly mitigated so that the printhead responds more quickly to the command to switch between the printing and non-printing states. As a result, the printing result obtained is also closer to the three-dimensional structure originally intended for printing. This is particularly important if a component is to be printed, which cooperate with another, already existing or also to be printed, component or even to make a media-tight connection.

Um den Druck p im Bereich der Austrittsöffnung einzuleiten, kann dort beispielsweise ein Anschluss für ein Druckmittel vorgesehen sein. Das Druckmittel kann beispielsweise weiteres flüssiges Ausgangsmaterial sein, das aus einer externen Druckquelle zugeführt wird.In order to initiate the pressure p in the region of the outlet opening, a connection for a pressure medium can be provided there, for example. The pressure medium may for example be further liquid starting material which is supplied from an external pressure source.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Aktor zur Einleitung des Drucks p in den Bereich der Austrittsöffnung geführt. Ist beispielsweise ein fester Aktor durch das Arbeitsvolumen in die Nähe der Austrittsöffnung geführt, so wird eine auf diesen Aktor ausgeübte Kraft unmittelbar dorthin geleitet, unabhängig von den elastischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials. Die Kraft kann insbesondere über eine größere Distanz von einer Kraftquelle in die Nähe der Austrittsöffnung geleitet werden. Der Aktor kann beispielsweise aus einem thermisch isolierenden Material bestehen, wie etwa einer Keramik, um die Kraftquelle nicht mit der hohen Temperatur der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials zu belasten.In a particularly advantageous embodiment of the invention, an actuator for introducing the pressure p is guided in the region of the outlet opening. If, for example, a solid actuator is guided by the working volume in the vicinity of the outlet opening, a force exerted on this actuator is conducted directly there, regardless of the elastic properties of the starting material. The force can be conducted in particular over a greater distance from a power source in the vicinity of the outlet opening. The actuator may for example consist of a thermally insulating material, such as a ceramic, so as not to stress the power source with the high temperature of the liquid phase of the starting material.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Aktor einen Stempel mit einer Außengeometrie, die zu der Innengeometrie der Austrittsöffnung korrespondiert. Dadurch lässt sich der Aktor in Eingriff mit der Austrittsöffnung bringen. Durch diesen Eingriff wiederum kann insbesondere die flüssige Phase des Ausgangsmaterials vollständig aus dem Spalt zwischen dem Aktor und der Austrittsöffnung verdrängt werden. Auf diese Weise kann speziell das Ausgangsmaterial im vordersten Bereich der Austrittsöffnung vollständig extrudiert werden. Die Austrittsöffnung kann dann nicht durch Verunreinigungen verstopfen. Dies ist speziell dann vorteilhaft, wenn der Druckkopf nach dem Umschalten vom druckenden in den nicht druckenden Zustand unter die Temperatur TP abkühlt, bei der das Ausgangsmaterial plastifiziert. Beim nächsten Umschalten in den druckenden Zustand ist die Austrittsöffnung dann nicht verstopft.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the actuator comprises a stamp having an outer geometry which corresponds to the internal geometry of the outlet opening. As a result, the actuator can be brought into engagement with the outlet opening. In turn, this intervention in particular, the liquid phase of the starting material can be completely displaced from the gap between the actuator and the outlet opening. In this way, especially the starting material can be completely extruded in the foremost region of the outlet opening. The outlet then can not clog with impurities. This is particularly advantageous when the printhead cools after switching from the printing to the non-printing state below the temperature T P at which plasticizes the starting material. The next time you switch to the printing state, the outlet is then not clogged.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Arbeitsvolumen durch Bewegung eines Kolbens veränderlich. Diese Bauweise des Druckkopfes ermöglicht es, im zyklischen Betrieb im Wechsel Nachschub der festen Phase des Ausgangsmaterials zuzuführen bzw. das feste Ausgangsmaterial in eine heiße Plastifizierungszone zu drücken. Weiterhin kann der insgesamt in der Nähe der Austrittsöffnung herrschende Druck p arbeitsteilig durch den Kolben und durch den Aktor eingebracht werden. So kann beispielsweise der Kolben einen vergleichsweise hohen Grundlastanteil am Druck p erbringen, während der Aktor nur einen vergleichsweise kleinen Steueranteil erbringt, der über das Umschalten zwischen dem druckenden und dem nicht druckenden Zustand des Druckkopfes entscheidet. Der Aktor kann also insbesondere unabhängig vom Kolben bewegbar sein.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the working volume is variable by movement of a piston. This design of the printhead makes it possible, in cyclic operation alternately supply replenishment of the solid phase of the starting material or to press the solid starting material in a hot plasticizing zone. Furthermore, the total pressure prevailing in the vicinity of the outlet opening can be introduced by the piston and by the actuator. Thus, for example, the piston can provide a comparatively high base-load component at the pressure p, while the actuator provides only a comparatively small control component which decides on the switching between the printing and the non-printing state of the printing head. The actuator can therefore be movable in particular independently of the piston.

Vorteilhaft ist der Aktor durch das Innere des Kolbens geführt. Auf diese Weise kann der Aktor wahlweise mit dem Kolben gekoppelt oder aber auf der dem Ausgangsmaterial abgewandten Seite des Kolbens mit einer Kraftquelle zur Einleitung des Drucks p verbunden werden.Advantageously, the actuator is guided through the interior of the piston. In this way, the actuator can optionally be coupled to the piston or be connected on the side facing away from the starting material of the piston with a power source for introducing the pressure p.

Vorteilhaft ist die Bewegung des Aktors an die Bewegung des Kolbens gekoppelt. Dann ist zum Einen nur eine Antriebsquelle für die Bewegung beider Elemente erforderlich, und zum Anderen sind beide Bewegungen automatisch miteinander koordiniert. So kann beispielsweise bei einem zyklisch arbeitenden Druckkopf der Aktor genau dann in die Austrittsöffnung eingreifen und diese von flüssigem Ausgangsmaterial säubern, wenn der Vorrat des flüssigen Ausgangsmaterials im Arbeitsvolumen erschöpft ist und der Druckkopf zum Nachfüllen in den nicht druckenden Zustand übergehen muss. Die automatische Koordination beider Bewegungen kann beispielsweise durch eine mechanische Übersetzung zwischen der Bewegung des Kolbens und der Bewegung des Aktors erfolgen, da die zeitliche Choreographie in jedem Zyklus gleich ist.Advantageously, the movement of the actuator is coupled to the movement of the piston. Then, on the one hand only a drive source for the movement of both elements is required, and on the other hand, both movements are automatically coordinated with each other. For example, in the case of a cyclically operating print head, the actuator can then engage in the outlet opening and clean it of liquid starting material when the supply of the liquid starting material in the working volume has been exhausted and the print head has to change to non-printing state for refilling. The automatic coordination of both movements can for example be done by a mechanical translation between the movement of the piston and the movement of the actuator, since the temporal choreography in each cycle is the same.

Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes gemäß der Erfindung. Bei diesem Verfahren wird zur Unterbrechung des Druckvorgangs zuerst der Stempel in Eingriff mit der Austrittsöffnung gebracht. Erst dann wird die Temperatur im Arbeitsvolumen unter die Temperatur TP, ab der das Ausgangsmaterial plastifiziert, abgesenkt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Austrittsöffnung beim Absenken der Temperatur frei von Ausgangsmaterial ist, welches die Austrittsöffnung ansonsten verstopfen könnte.From the above, the invention also relates to a method of operating a printhead according to the invention. In this method, to interrupt the printing operation, the punch is first brought into engagement with the discharge port. Only then is the temperature in the working volume below the temperature T P , from which the starting material plasticized, lowered. In this way it is ensured that the outlet opening when lowering the temperature is free of starting material, which could otherwise clog the outlet opening.

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

Figurenliste list of figures

Es zeigt:

  • 1 Ausführungsbeispiel eines Druckkopfes 10 gemäß der Erfindung;
  • 2 Zeitlicher Versatz der Extrusion aus der Austrittsöffnung 16 ohne und mit Aktor 13 gemäß der Erfindung.
It shows:
  • 1 Embodiment of a print head 10 according to the invention;
  • 2 Time offset of the extrusion from the outlet opening 16 without and with actuator 13 according to the invention.

Nach 1 umfasst der Druckkopf 10 ein Gehäuse 19, dessen zentrale Bohrung 19a das Arbeitsvolumen 17 zur Aufnahme des Ausgangsmaterials 20 beherbergt. In dem in 1 gezeigten Zustand befindet sich im Arbeitsvolumen 17 eine flüssige Phase 22 des Ausgangsmaterials 20, auf der eine feste Phase 21 des Ausgangsmaterials 20 aufliegt. Die Zuführung für die feste Phase 21 des Ausgangsmaterials 20 sowie der Antrieb des Kolbens 31 sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.To 1 includes the printhead 10 a housing 19 whose central bore 19a the volume of work 17 for receiving the starting material 20 houses. In the in 1 shown state is in the working volume 17 a liquid phase 22 of the starting material 20 on which a solid phase 21 of the starting material 20 rests. The feed for the solid phase 21 of the starting material 20 as well as the drive of the piston 31 are omitted for clarity.

In der zentralen Bohrung 19a des Gehäuses 19 ist ein Kolben 31 so dichtend geführt, dass die feste Phase 21 des Ausgangsmaterials 20 nicht in den Spalt zwischen dem Kolben 31 und dem Gehäuse 19 eindringen kann. Wird der Kolben 31 in Richtung der Austrittsöffnung 16 des Gehäuses 19, bzw. des Arbeitsvolumens 17, bewegt, so wird über die feste Phase 21 des Ausgangsmaterials 20 ein Druck p in die flüssige Phase 22 des Ausgangsmaterials 20 eingeleitet. Die flüssige Phase 22 wird in der Plastifizierungszone 14 des Druckkopfes 10 durch eine Heizung 15 aus der festen Phase 21 des Ausgangsmaterials 20 erzeugt.In the central hole 19a of the housing 19 is a piston 31 so tightly guided that the solid phase 21 of the starting material 20 not in the gap between the piston 31 and the housing 19 can penetrate. Will the piston 31 in the direction of the outlet opening 16 of the housing 19 , or the volume of work 17 , moves, so is about the solid phase 21 of the starting material 20 a pressure p in the liquid phase 22 of the starting material 20 initiated. The liquid phase 22 will be in the plasticization zone 14 of the printhead 10 by a heater 15 from the solid phase 21 of the starting material 20 generated.

Die Kraft, die vom Kolben 31 auf das Ausgangsmaterial 20 ausgeübt wird, wird auf das unmittelbar vor der Austrittsöffnung 16 befindliche Ausgangsmaterial 20 nur vermittelt durch den ganzen Vorrat des Ausgangsmaterials 20 weitergeleitet. Die viskoelastischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials 20, und hier speziell seiner flüssigen Phase 22, beeinflussen also die Kraftübertragung zu dem Bereich, in dem die Kräfteverhältnisse über den Austrag von Ausgangsmaterial 22 aus der Austrittsöffnung 16 entscheiden, in hohem Maße.The force coming from the piston 31 on the starting material 20 is exercised on the immediately before the exit opening 16 located starting material 20 only mediated by the whole supply of starting material 20 forwarded. The viscoelastic properties of the starting material 20 , and here especially his liquid phase 22 , thus influence the power transmission to the area in which the balance of power over the discharge of starting material 22 from the outlet 16 decide, to a large extent.

Daher ist der Aktor 13 vorgesehen, der sich aus einem Stempel 13a, einer Kolbenstange 13b und einem mit dem Kolben 31 verbundenen Anker 13c zusammensetzt. Die Kolbenstange 13b ist in einer Führung 18 zentriert. Bewegt sich der Kolben 31 in Richtung der Austrittsöffnung, macht der Stempel 13a die gleiche Bewegung mit und leitet so im Bereich 16a der Austrittsöffnung 16 Druck p in das dort befindliche flüssige Ausgangsmaterial 22 ein. Auf diese Weise wird bewirkt, dass der Materialaustrag aus der Austrittsöffnung 16 unmittelbar der Bewegung des Kolbens 31 folgt. Die Kraftübertragung vom Kolben 31 über den Anker 13c und die Kolbenstange 13b auf den Stempel 13a in den Bereich 16a der Austrittsöffnung 16 überbrückt also gleichsam die viskoelastischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials 20. Der Stempel 13a ist also ein Mittel 12 zur Einleitung des Drucks p im Bereich 16a der Austrittsöffnung 16.Therefore, the actor 13 provided, made up of a stamp 13a , a piston rod 13b and one with the piston 31 connected anchors 13c composed. The piston rod 13b is in a leadership 18 centered. Moves the piston 31 towards the exit opening, the stamp makes 13a the same movement with and guides in the area 16a the outlet opening 16 Pressure p in the liquid starting material located there 22 one. In this way, causes the material discharge from the outlet opening 16 directly to the movement of the piston 31 follows. The power transmission from the piston 31 over the anchor 13c and the piston rod 13b on the stamp 13a in the area 16a the outlet opening 16 thus bridged the viscoelastic properties of the starting material 20 , The Stamp 13a is therefore a means 12 to initiate the pressure p in the area 16a the outlet opening 16 ,

Der Stempel 13a hat noch eine weitere Funktion. Er ist in 1 an einer tieferen Position, also noch näher an der Austrittsöffnung 16, noch einmal gestrichelt mit dem Bezugszeichen 13a' eingezeichnet. Wie hieraus ersichtlich ist, lässt sich der Stempel 13a so in Eingriff mit der Austrittsöffnung 16 bringen, dass die flüssige Phase 22 des Ausgangsmaterials 20 komplett aus dem Spalt zwischen dem Stempel 13a und der Wand der Austrittsöffnung 16 verdrängt wird. Auf diese Weise kann der vorderste Teil des Bereichs 16a der Austrittsöffnung 16 komplett von flüssigem Ausgangsmaterial 22 befreit werden. Dadurch kann insbesondere vermieden werden, dass Verunreinigungen aus flüssigem Ausgangsmaterial 22 sich beim Zurückziehen des Kolbens zum Nachfüllen von festem Ausgangsmaterial 21 um die Austrittsöffnung 16 anlagern und diese verstopfen.The Stamp 13a has another function. He is in 1 at a lower position, so even closer to the outlet opening 16 , once again dashed with the reference numeral 13a ' located. As can be seen, the stamp can be 13a so in engagement with the outlet opening 16 bring that to the liquid phase 22 of the starting material 20 completely out of the gap between the stamp 13a and the wall of the outlet 16 is displaced. In this way, the foremost part of the range 16a the outlet opening 16 complete with liquid starting material 22 be freed. This can be avoided in particular that impurities from liquid starting material 22 when retracting the piston to refill solid starting material 21 around the outlet 16 attach and clog them.

2 verdeutlicht die Wirkung, die das Einleiten des Drucks p mit dem Stempel 13a unmittelbar im Bereich 16a der Austrittsöffnung 16 auf das Antwortverhalten des Druckkopfes 10 hat. 2 illustrates the effect of introducing the pressure p with the stamp 13a immediately in the area 16a the outlet opening 16 on the response of the printhead 10 Has.

In 2a sind über der Zeit t die Wegposition s des Kolbens 31 (Kurve A), das insgesamt extrudierte Volumen V ohne Verwendung des Stempel 13a (Kurve B) sowie das insgesamt extrudierte Volumen V bei Verwendung des Stempels 13a (Kurve C) aufgetragen. Das Zeitprogramm der Wegposition s beschreibt einen typischen Arbeitszyklus eines Druckkopfes 10, der eine zuvor zugeführte Charge an festem Ausgangsmaterial 21 in der Plastifizierungszone 14 plastifiziert und aus der Austrittsöffnung 16 extrudiert. Der Kolben 31 wird zunächst langsam vorgeschoben, d.h., die Wegposition s steigt langsam an. Wenn der Kolben 31 seine Endposition erreicht hat, geht die Wegposition s in ein Plateau über. Anschließend wird der Kolben 31 schnell zurückgezogen, d.h., die Wegposition s nimmt mit großer Steigung ab.In 2a over time t are the travel position s of the piston 31 (Curve A), the total extruded volume V without using the stamp 13a (Curve B) and the total extruded volume V using the stamp 13a Applied (curve C). The travel time program s describes a typical duty cycle of a printhead 10 containing a previously supplied batch of solid starting material 21 in the plasticization zone 14 plasticized and out of the outlet 16 extruded. The piston 31 is initially advanced slowly, ie, the path position s rises slowly. When the piston 31 has reached its end position, the path position s goes into a plateau. Subsequently, the piston 31 retracted quickly, ie, the road position s decreases with great slope.

Ohne Verwendung des Stempels 13a läuft die Extrusion aus der Austrittsöffnung 16 deutlich später an, da zunächst das flüssige Ausgangsmaterial 22 komprimiert wird. Es gibt also einen großen Schleppfehler im extrudierten Volumen V, was in 2a als Punkt 1 eingezeichnet ist. Der Schleppfehler nimmt im Verlauf der Extrusion ab, bis sich ein stationärer Zustand eingestellt hat, was in 2a als Punkt 2 eingezeichnet ist. Am nominellen Ende der Extrusion, wenn also der Kolben 31 nicht mehr weiter bewegt wird, tritt sogleich der nächste Fehler auf: Die durch den Kolben 31 eingebrachte Kompression des flüssigen Ausgangsmaterials 22 entlastet sich in einer fortdauernden Extrusion durch die Austrittsöffnung 16. Es ergibt sich im insgesamt extrudierten Volumen V ein Mengenüberschuss, der in 2a mit 3 bezeichnet ist. Zur Verdeutlichung sind in 2a der Zeitpunkt des nominellen Endes der Extrusion mit 4a und der Zeitpunkt des tatsächlichen Endes der Extrusion mit 4b bezeichnet.Without using the stamp 13a the extrusion runs out of the outlet 16 much later, because initially the liquid starting material 22 is compressed. So there is a big following error in the extruded volume V, which is in 2a as a point 1 is drawn. The following error decreases in the course of the extrusion until a stationary state has set, which is reflected in 2a as a point 2 is drawn. At the nominal end of the extrusion, so if the piston 31 If you do not move any further, the next error occurs immediately: the one through the piston 31 introduced compression of the liquid starting material 22 Relieves itself in a continuous extrusion through the outlet opening 16 , This results in the total extruded volume V, a surplus in volume 2a denoted by 3. For clarity, in 2a the time of the nominal end of the extrusion with 4a and the time of the actual end of the extrusion with 4b.

2b zeigt für das gleiche Zeitprogramm der Wegposition s des Kolbens 31 (Kurve A) den zeitlichen Verlauf des Drucks p in unmittelbarer Nähe der Austrittsöffnung 16. Kurve D zeigt den Verlauf des Drucks p ohne Verwendung des Stempels 13a, Kurve E zeigt den Verlauf des Drucks p bei Verwendung des Stempels 13a. Bei Beginn der Bewegung des Kolbens 31 steigt der Druck p jeweils zunächst an, um während der Extrusion in eine Sättigung zu gehen: Im stationären Zustand der Extrusion halten sich ein weiterer Druckaufbau durch den weiteren Vorschub des Kolbens 31 einerseits und der Druckabbau durch den Austritt von flüssigem Ausgangsmaterial 22 aus der Austrittsöffnung 16 die Waage. Wird der Kolben 31 nicht mehr weiter bewegt, entspannt sich der Druck p unmittelbar vor der Austrittsöffnung 16 vollständig. 2 B shows for the same time program the path position s of the piston 31 (Curve A) the time course of the pressure p in the immediate vicinity of the outlet opening 16 , Curve D shows the curve of the pressure p without using the stamp 13a Curve E shows the curve of the pressure p when using the stamp 13a , At the beginning of the movement of the piston 31 In each case, the pressure p initially rises in order to saturate during the extrusion: In the stationary state of the extrusion, a further pressure build-up is maintained by the further advancement of the piston 31 on the one hand and the pressure reduction by the exit of liquid starting material 22 from the outlet 16 the balance. Will the piston 31 no longer moved, the pressure p relaxes immediately before the outlet opening 16 Completely.

Der Vergleich der Kurven D und E zeigt, dass der Druck p auf das jeweilige Ereignis, also auf den Beginn bzw. das Ende des Vorschubs des Kolbens 31, ohne Verwendung des Stempels 13a deutlich träger reagiert als bei Verwendung des Stempels 13a. Die Extrusion beginnt ohne Stempel 13a also deutlich später und läuft in der Endposition des Kolbens 31 deutlich länger nach.The comparison of the curves D and E shows that the pressure p on the respective event, ie on the beginning or the end of the advance of the piston 31 without using the stamp 13a significantly more sluggish than when using the stamp 13a , The extrusion starts without a stamp 13a So much later and runs in the final position of the piston 31 much longer after.

Beim 3D-Druck ist die relative Positionierung zwischen dem Druckkopf und dem herzustellenden Objekt zeitabhängig. Der in 2b gezeigte deutliche zeitliche Versatz der Extrusion ohne Verwendung des Stempels 13a kann somit dazu führen, dass das extrudierte Ausgangsmaterial 22 an einer falschen Position am herzustellenden Objekt angelagert wird.In 3D printing, the relative positioning between the printhead and the object to be produced is time-dependent. The in 2 B shown significant temporal displacement of the extrusion without the use of the punch 13a can thus cause the extruded starting material 22 is deposited in a wrong position on the object to be manufactured.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 9415591 B2 [0004]US 9415591 B2 [0004]

Claims (9)

Druckkopf (10) für einen 3D-Drucker, umfassend ein Arbeitsvolumen (17) zur Aufnahme eines in seiner Viskosität veränderlichen Ausgangsmaterials (20), wobei das Arbeitsvolumen (17) eine Austrittsöffnung (16) aufweist, durch die eine flüssige Phase (22) des Ausgangsmaterials (20) durch Einleitung von Druck p in die flüssige Phase (22) extrudierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (12) zur Einleitung des Drucks p im Bereich (16a) der Austrittsöffnung (16) vorgesehen sind.A printing head (10) for a 3D printer, comprising a working volume (17) for receiving a viscosity-variable starting material (20), the working volume (17) having an outlet opening (16) through which a liquid phase (22) of the Starting material (20) by introducing pressure p in the liquid phase (22) is extrudable, characterized in that means (12) for introducing the pressure p in the region (16a) of the outlet opening (16) are provided. Druckkopf (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss zur Einleitung eines Druckmittels im Bereich der Austrittsöffnung als Mittel (12) zur Einleitung des Drucks p vorgesehen ist.Printhead (10) after Claim 1 , characterized in that a connection for introducing a pressure medium in the region of the outlet opening is provided as a means (12) for introducing the pressure p. Druckkopf (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktor (13) zur Einleitung des Drucks p in den Bereich (16a) der Austrittsöffnung (16) geführt ist.Print head (10) after one of Claims 1 to 2 , characterized in that an actuator (13) for introducing the pressure p in the region (16a) of the outlet opening (16) is guided. Druckkopf (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (13) einen Stempel (13a) mit einer Außengeometrie umfasst, die zu der Innengeometrie der Austrittsöffnung (16) korrespondiert.Printhead (10) after Claim 3 , characterized in that the actuator (13) comprises a punch (13a) with an outer geometry that corresponds to the internal geometry of the outlet opening (16). Druckkopf (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsvolumen (17) durch Bewegung eines Kolbens (31) veränderlich ist.Print head (10) after one of Claims 3 to 4 , characterized in that the working volume (17) by movement of a piston (31) is variable. Druckkopf (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (13) durch das Innere des Kolbens (31) geführt ist.Printhead (10) after Claim 5 , characterized in that the actuator (13) is guided through the interior of the piston (31). Druckkopf (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Aktors (13) an die Bewegung des Kolbens (31) gekoppelt ist.Print head (10) after one of Claims 5 to 6 , characterized in that the movement of the actuator (13) is coupled to the movement of the piston (31). Druckkopf (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Übersetzung zwischen der Bewegung des Kolbens (31) und der Bewegung des Aktors (13) vorgesehen ist.Printhead (10) after Claim 7 , characterized in that a mechanical translation between the movement of the piston (31) and the movement of the actuator (13) is provided. Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes (10) nach Anspruch 4 und optional einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterbrechung des Druckvorgangs zuerst der Stempel (13a) in Eingriff mit der Austrittsöffnung (16) gebracht und dann die Temperatur T im Arbeitsvolumen (17 unter die Temperatur TP, ab der das Ausgangsmaterial (20) plastifiziert, abgesenkt wird.Method for operating a printhead (10) after Claim 4 and optionally one of Claims 5 to 8th , characterized in that to interrupt the printing process, first the punch (13a) is brought into engagement with the outlet opening (16) and then the temperature T in the working volume (17 below the temperature T P , from which the starting material (20) plasticized, is lowered ,
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