DE102019007952A1

DE102019007952A1 - 3D-Druckvorrichtung mit Druckkopfreinigung

Info

Publication number: DE102019007952A1
Application number: DE102019007952.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Sinzinger; Melanie Weigel; Christoph Scheck; Josef Grasegger; Tobias Lachenmair
Original assignee: Voxeljet AG
Current assignee: Voxeljet AG
Priority date: 2019-11-16
Filing date: 2019-11-16
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reinigen eines Druckkopfes von Verunreinigungen mittels berührungsloser Reinigungseinheit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reinigen eines Druckkopfes von Verunreinigungen mittels berührungsloser Reinigungseinheit.
In der europäischen Patentschrift EP 0 431 924 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Computerdaten beschrieben. Dabei wird ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht mittels Beschichter (Recoater) auf eine Plattform aufgetragen und dieses selektiv mittels eines Druckkopfes mit einem Bindermaterial bedruckt. Der mit dem Binder bedruckte Partikelbereich verbindet und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen Härters. Anschließend wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt oder die Beschichter-/Druckkopfeinheit angehoben und eine neue Schicht Partikelmaterial aufgetragen, die ebenfalls, wie oben beschrieben, selektiv bedruckt wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis die gewünschte Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt (3D-Bauteil, Formteil).
Dieses aus verfestigtem Partikelmaterial hergestellte Objekt ist nach seiner Fertigstellung in losem Partikelmaterial eingebettet und wird anschließend davon befreit. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Saugers. Übrig bleiben danach die gewünschten Objekte, die dann vom Restpulver, z.B. durch Abbürsten, weiter gesäubert werden.
In ähnlicher Weise arbeiten auch andere Pulver-gestützte Rapid-Prototyping-Prozesse, wie z.B. das selektive Lasersintern oder das Elektron-Beam-Sintern bei denen jeweils ebenso ein loses Partikelmaterial schichtweise ausgebracht und mit Hilfe einer gesteuerten physikalischen Strahlungsquelle selektiv verfestigt wird.
Im Folgenden werden alle diese Verfahren unter dem Begriff dreidimensionale Druckverfahren oder 3D-Druckverfahren zusammengefasst.
Bei der additiven Fertigung (3D-Druckverfahren z.B. Binder-Jetting-Verfahren oder High-Speed-Sintering-Verfahren) werden Dosiereinheiten (Druckköpfe oder Druckplatten) verwendet, um Druckfluide (Fluide), z.B. Binder in Form von Binderflüssigkeit oder Absorber, auf eine vordefinierte Fläche von Substratmaterial (Partikelmaterial) auf dem Baufeld selektiv aufzutragen und so eine selektive Verfestigung des Partikelmaterials zu erzielen und ein 3D-Fromteil durch Schichtaufbau zu fertigen. Dabei kommt es aufgrund des geringen Abstandes zwischen Dosiereinheit und Substratmaterial zwangsläufig während des Druckprozesses zu einem Anhaften von Partikelmaterial an der Dosiereinheit und somit zu Beeinträchtigungen der Funktion an diesem durch Verunreinigungen. Diese Verunreinigungen können zu Blockierungen der Dosiereinheit führen, welche Fehlstellen in der Aufbringung des zu dosierenden Fluids mit sich bringen. Um eine gleichbleibende Qualität der Druckerzeugnisse (3D-Formteile) zu gewährleisten, müssen die Verunreinigungen deshalb notwendiger Weise von der Dosiereinheit entfernt werden. Diese Reinigung kann während des Druckprozesses oder auch unmittelbar danach mittels speziell dafür konstruierter Reinigungsstationen erfolgen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsformen zur Druckkopfreinigung bekannt. So kann in Binder-Jetting-Verfahren der Druckkopf, z.B. die Düsenplatte eines Druckmoduls, in Kontakt mit einer rotierenden Reinigungswalze gebracht werden, wodurch die Verunreinigungen mechanisch entfernt werden. Diese Verfahren und diese Vorrichtung haben jedoch den Nachteil, selbst zu verschmutzen und deshalb gereinigt werden zu müssen. Außerdem stellt dieses Vorgehen hohe Anforderungen an Ausrichtung und Justierung des Andruckverhaltens. Auch werden hier oft Reinigungsmittel (z.B. Lösungsmittel) zum Vorbefeuchten eingesetzt, die die Reinigungswirkung verbessern sollen. Damit kommt es zum einen zu einem mechanischen Kontakt mit dem sehr empfindlichen Druckkopf, der so der Gefahr von Beschädigungen ausgesetzt ist. Weiterhin erfordert das Auswechseln der Walze nicht nur an sich Standzeiten der Anlage, sondern es ist zusätzlich nachteilig und mit Kosten verbunden, da eine Justierung der Anlage per Handeinstellung nach dem Wechseln der Walze erforderlich wird.
Eine andere bekannte Reinigungsmethode ist die Bewegung der Druckmodule über eine Reinigungsfläche, die z.B. durch ein Vlies ausgeführt sein kann. Nimmt dieses die Verunreinigungen auf, muss es nach einer bestimmten Zeit wiederum selbst gereinigt werden bzw. durch ein neues Vlies ersetzt werden. Dies impliziert dieselben Nachweile wie sie oben bei der Walzenreinigung beschrieben wurden.
In anderen bekannten Verfahren wird ein Reinigungsstoff über zwei Walzen unter den Düsenplatten der Druckmodule gezogen, sodass eine Reinigung des Stoffes entfällt. Ist die Rolle auf die das Reinigungstextil aufgebracht ist aufgebraucht, muss diese jedoch gleichermaßen ersetzt werden. Dies impliziert dieselben Nachteile wie sie oben bei den bekannten Verfahren des Standes der Technik beschrieben wurden.
Somit haben alle bekannten Verfahren und Vorrichtungen den Nachteil nicht verschleißfrei zu arbeiten. Deshalb müssen diese in einem fest definierten Intervall regelmäßig ausgetauscht werden, was Kosten nach sich zieht, v.a. aber dazu führt, dass die Produktion von 3D-Teilen während der Wartungsarbeiten nicht durchgeführt werden kann. Außerdem müssen Reinigungsmaterialien vorgehalten und diese nach Verbrauch nachgefüllt werden. Reinigungs-Verfahren, die mit Kontakt zu den Düsen arbeiten, führen nicht selten zu beschleunigtem Verschleiß der kostenintensiven Druckmodule.
Ein weiterer Nachteil ist, dass meist geringe Mengen des Reinigungsfluids auf den Druckmodulen zurückbleiben, sich mit den aus dem Druckkopf zu verdruckenden Fluiden vermischen oder die Düsen der Dosiereinheit blockieren, sodass wiederum Druckfehler auftreten. Des Weiteren wird hiermit das Problem eines hohen Verbrauchs an Reinigungsmaterial nicht gelöst.
Vor allem beim High-Speed-Sintering-Verfahren ergibt sich des Weiteren die Herausforderung, dass dort mit hohen Temperaturen gearbeitet wird, die nicht selten 60-70°C übersteigen. Es stellt sich also an eine Reinigungsvorrichtung als weitere Anforderung, robust gegenüber höheren Temperaturen und auch Temperaturschwankungen zu sein.
Oft eingesetzte Reinigungsmittel wie Isopropanol, die auf eine Reinigungswalze aufgebracht werden, sind bei dieser Art der additiven Fertigung ungeeignet, da das Reinigungsmedium nicht nur zu schnell verdampfen würde und damit der Reinigungseffekt ausbliebe, sondern der Dampf zudem zur Entzündung neigen würde.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem ein Druckkopf in schonender Weise gereinigt werden kann, oder zumindest die Nachteile des Standes der Technik zu vermindern oder ganz zu vermeiden.
Es ist darüber hinaus eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, die ein im Wesentlichen verschleißfreies Reinigen von Druckköpfen ermöglicht und Standzeiten aufgrund von Wartungsarbeiten der Druckkopfreinigungsanlage vermeidet.
Kurze Zusammenfassung der Offenbarung
In einem Aspekt betrifft die Offenbarung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reinigen eines Druckkopfes in einer 3D-Druckvorrichtung, wobei die Druckkopfflüssigkeit in Kombination mit Unterdruck verwendet wird, um Verunreinigungen am Druckkopf zu lösen und zu entfernen, wobei gegebenenfalls mit einem Mittel überschüssiges Druckfluid vor dem Wiederanfahren des Druckprozesses vom Druckkopf entfernt werden kann.
In einem Aspekt betrifft die Offenbarung eine Vorrichtung zum Reinigen eines Druckkopfes in einer 3D-Druckvorrichtung, umfassend oder bestehend aus einer Reinigungseinheit, die Mittel zum Anlegen von Unterdruck aufweist, wobei die Reinigungseinheit zum Reinigen des Druckkopfes von Verunreinigungen eine berührungslose Reinigungseinheit ist bzw. keine direkten mechanischen Reinigungsmittel aufweist und in zumindest einem Reinigungsschritt kein zusätzliches Reinigungsfluid erforderlich ist.
In einem Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zum Reinigen eines Druckkopfes geeignet in einer 3D-Druckvorrichtung, umfassend die Schritte des Positionieren oder Verfahren des Druckkopfes an die Reinigungseinheit und eine Abgabe von Druckflüssigkeit aus dem Druckkopf, wobei diese Druckflüssigkeit an dem Druckkopf anhaften bleibt und so Verunreinigungen in der Druckflüssigkeit gelöst oder angelöst werden, wobei die Verunreinigungen in der Druckflüssigkeit durch Anlegen eines Unterdruckes an der Reinigungseinheit von dem Druckkopf entfernt werden und dieser wieder in gereinigtem Zustand für den weiteren 3D-Druckvorgang zur Verfügung steht.
Figurenliste

1 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer Vorrichtung zur Reinigung eines Druckkopfes nach der Offenbarung.
2 zeigt beispielhaft den Vorgang bei einem Reinigungszyklus nach der Offenbarung.
3 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer Vorrichtung zum Reinigen von Druckmodulen nach der Offenbarung.
4 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer Reinigungsvorrichtung bei einem Kammdruckkopf nach der Offenbarung.
5 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer Reinigungsvorrichtung mit Spülung und Wischlippe nach der Offenbarung.

Ausführliche Beschreibung der Offenbarung
Im Folgenden werden einige Begriffe der Offenbarung näher erläutert.
Im Sinne der Offenbarung sind „Schichtbauverfahren“ bzw. „SD-Druckverfahren“ alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die den Aufbau von Bauteilen in dreidimensionalen Formen ermöglichen und mit den hier im Weiteren beschriebenen Verfahrenskomponenten und Vorrichtungen kompatibel sind. Dazu zählen unter anderem ohne darauf beschränkt zu sein, Binder-Jetting-Verfahren, High-Speed-Sintering-Verfahren, etc.
Unter „Binder-Jetting“ im Sinne der Offenbarung ist zu verstehen, dass schichtweise Pulver auf eine Bauplattform aufgebracht wird, jeweils die Querschnitte des Bauteils auf dieser Pulverschicht mit einer oder mehreren Flüssigkeiten bedruckt werden, die Lage der Bauplattform um eine Schichtstärke zur letzten Position geändert wird und diese Schritte solange wiederholt werden, bis das Bauteil fertig ist. Unter Binder-Jetting sind hier auch Schichtbauverfahren zu verstehen, die eine weitere Verfahrens-Komponente wie z.B. eine schichtweise Belichtung z.B. mit IR- oder UV-Strahlung benötigen.
„3D-Formteil“, „Formkörper“ oder „Bauteil“ im Sinne der Offenbarung sind alle mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder/und der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten dreidimensionalen Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.
„Bauraum“ ist der geometrische Ort in dem die Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst oder durch den die Schüttung bei kontinuierlichen Prinzipien durchläuft. Im Allgemeinen wird der Bauraum durch einen Boden, die Bauplattform, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt. Bei kontinuierlichen Prinzipien existieren meist ein Förderband und begrenzende Seitenwände. Der Bauraum kann auch durch eine sogenannte Jobbox ausgestaltet sein, die eine in die Vorrichtung ein- und ausfahrbare Einheit darstellt und eine Batch-Herstellung erlaubt, wobei eine Jobbox nach Prozessabschluss ausgefahren wird und sofort eine neue Jobbox in die Vorrichtung eingefahren werden kann, so dass das Herstellungsvolumen und somit die Vorrichtungsleistung erhöht wird.
Als „Baumaterial“ oder „Partikelmaterial“ oder „Pulver“ im Sinne der Offenbarung können alle für den 3D-Druck bekannten fließfähigen Materialien verwendet werden, insbesondere in Pulverform, als Schlicker oder als Flüssigkeit. Dies können beispielsweise Sande, Keramikpulver, Glaspulver, und andere Pulver aus anorganischen oder organischen Materialien wie Metallpulver, Kunststoffe, Holzpartikel, Faserwerkstoffe, Cellulosen oder/und Laktosepulver sowie andere Arten von organischen, pulverförmigen Materialien sein. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken, frei fließendes Pulver, aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver kann verwendet werden. Diese Kohäsivität kann sich auch durch Beimengung eines Bindermaterials oder eines Hilfsmaterials wie z.B. einer Flüssigkeit ergeben. Die Beimengung einer Flüssigkeit kann dazu führen, dass das Partikelmaterial in Form eines Schlickers frei fließfähig ist. Generell können Partikelmaterial im Sinne der Offenbarung auch als Fluide bezeichnet werden. In dieser Schrift werden Partikelmaterial und Pulver synonym verwendet.
Der „Partikelmaterialauftrag“ ist der Vorgang bei dem eine definierte Schicht aus Pulver erzeugt wird. Dies kann entweder auf der Bauplattform oder auf einer geneigten Ebene relativ zu einem Förderband bei kontinuierlichen Prinzipen erfolgen. Der Partikelmaterialauftrag wird im Weiteren auch „Beschichtung“ oder „Recoaten“ genannt.
„Selektiver Flüssigkeitsauftrag“ oder „selektiver Binderauftrag“ kann im Sinne der Offenbarung nach jedem Partikelmaterialauftrag oder je nach den Erfordernissen des Formkörpers und zur Optimierung der Formkörperherstellung auch unregelmäßig, beispielsweise mehrfach bezogen auf einen Partikelmaterialauftrag, erfolgen. Dabei wird ein Schnittbild durch den gewünschten Körper aufgedruckt.
Als „Vorrichtung“ zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der Offenbarung kann jede bekannte 3D-Druckvorrichtung verwendet werden, die die erforderlichen Bauteile beinhaltet. Übliche Komponenten beinhalten Beschichter, Baufeld, Mittel zum Verfahren des Baufeldes oder anderer Bauteile bei kontinuierlichen Verfahren, Dosiervorrichtungen und Wärme- und Bestrahlungsmittel und andere dem Fachmann bekannte Bauteile, die deshalb hier nicht näher ausgeführt werden. Bekannte Vorrichtungen beinhalten alle Komponenten für das Binder-Jetting-Verfahren oder das High-Speed-Sintering-Verfah ren.
Das Baumaterial gemäß der Offenbarung wird immer in einer „definierten Schicht“ oder „Schichtstärke“ aufgebracht, die je nach Baumaterial und Verfahrensbedingungen individuell eingestellt wird. Sie beträgt beispielsweise 0,05 bis 5 mm, vorzugsweise 0,07 bis 2 mm.
Ein „Beschichter“ oder „Recoater“ oder „Materialauftragsmittel“ im Sinne der Offenbarung ist die Einheit, mittels derer ein Fluid auf das Baufeld aufgebracht wird. Dieser kann aus einem Fluidvorratsbehälter und einer Fluidauftragseinheit bestehen, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung die Fluidauftragseinheit einen Fluidauslass und eine „Rakeleinrichtung“ umfasst. Diese Rakeleinrichtung könnte eine Beschichterklinge sein. Es könnte aber auch jede andere erdenkliche geeignete Rakeleinrichtung verwendet werden. Denkbar sind beispielsweise auch rotierende Walzen oder eine Düse. Die Materialzufuhr kann über Vorratsbehälter frei fließend oder Extruderschnecken, Druckbeaufschlagung oder andere Materialfördereinrichtungen erfolgen. Der Beschichter kann das Fluid, z.B. Partikelmaterial wie z.B. mineralische oder metallische Materialien oder Kunststoffe, Holz in Form von Partikeln oder Gemische davon, aufnehmen und gesteuert auf eine Bauplattform einer 3D-Vorrichtung in Schichten abgeben oder auftragen. Dieses Material wird auch als Baumaterial bezeichnet. Dabei kann der Beschichter länglich ausgestaltet sein und oberhalb einer Austrittsöffnung befindet sich in einem Vorratsbehälter das Partikelmaterial. Der Beschichter kann aber auch aus einer stehenden Klinge oder einer gegenläufig rotierenden Walze bestehen, die eine bestimmte Pulvermenge jeweils vor der Klinge oder der Walze auf dem Baufeld ausstreichen.
„3D-Drucker“ oder „Drucker“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet das Gerät in dem ein 3D-Druckverfahren stattfinden kann. Ein 3D-Drucker im Sinne der Offenbarung weist ein Auftragsmittel für Baumaterial, z.B. ein Fluid wie ein Partikelmaterial, und eine Verfestigungseinheit, z.B. einen Druckkopf oder ein Energieeintragsmittel wie einen Laser oder eine Wärmelampe, auf. Weitere dem Fachmann bekannte Maschinenkomponenten und im 3D-Druck bekannte Komponenten werden je nach den speziellen Anforderungen im Einzelfall mit den oben erwähnten Maschinenkomponenten kombiniert. Bekannte 3D-Drucker beinhalten alle Komponenten für das Binder-Jetting-Verfahren oder das High-Speed-Sintering-Verfahren.
„Baufeld“ ist die Ebene oder in erweitertem Sinn der geometrische Ort, auf dem oder in dem eine Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst. Häufig wird das Baufeld durch einen Boden, die „Bauplattform“, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt.
Der Prozess „Drucken“ oder „3D-Drucken“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Zusammenfassung der Vorgänge Materialauftrag, selektives Verfestigen oder auch Bedrucken und Arbeitshöhe verstellen und findet in einem offenen oder geschlossenen Prozessraum (Bauraum) statt.
Unter einer „Aufnahmeebene“ oder „Bauebene“ oder „Bauplattform“ im Sinne der Offenbarung ist die Ebene zu verstehen, auf die Baumaterial aufgetragen wird. Offenbarungsgemäß ist die Aufnahmeebene immer in einer Raumrichtung durch eine lineare Bewegung frei zugänglich.
„Baufeldwerkzeug“ oder „Funktionale Einheit“ im Sinne der Offenbarung sind alle Mittel oder Vorrichtungsteile, die für den Fluidauftrag, z.B. Partikelmaterial, und die selektive Verfestigung bei der Herstellung von Formteilen eingesetzt werden. So sind alle Materialauftragsmittel und Schichtbehandlungsmittel auch Baufeldwerkzeuge oder funktionale Einheiten.
„Ausstreichen“ oder „Aufbringen“ im Sinne der Offenbarung bedeutet jegliche Art und Weise, mit der das Partikelmaterial verteilt wird. Beispielsweise kann an der Startposition einer Beschichtungsfahrt eine größere Pulvermenge vorgelegt werden und durch eine Klinge oder eine rotierende Walze in das Schichtvolumen verteilt oder ausgestrichen werden.
Der „Druckkopf“ oder „Druckmittel“ oder „Mittel zum selektiven Verfestigen“ im Sinne der Offenbarung setzt sich üblicherweise aus verschiedenen Komponenten zusammen. Unter anderem können dies „Druckmodule“ sein. Die „Druckmodule“ im Sinne der Offenbarung verfügen über eine Vielzahl an Düsen, aus denen der „Binder“ in Tröpfchenform auf das Baufeld gesteuert ausgestoßen wird. Die Öffnungen sind in der Regel matrixartig angeordnet. Die „Druckmodule“ sind relativ zum Druckkopf ausgerichtet. Der Druckkopf ist relativ zur Maschine ausgerichtet. Damit kann die Lage einer Düse dem Maschinenkoordinatensystem zugeordnet werden. Die Ebene in der sich die Düsen befinden wird üblicherweise als Düsenplatte bezeichnet. Ein weiteres Mittel zum selektiven Verfestigen kann auch ein oder mehrere Laser oder andere Strahlungsquellen oder eine Wärmelampe darstellen. Dabei kommen auch Arrays solcher Strahlungsquellen, wie z.B. Laserdiodenarrays in Betracht. Es ist im Sinne der Offenbarung zulässig, dass die Einbringung der Selektivität von der Verfestigungsreaktion getrennt erfolgt. So kann über einen Druckkopf oder einen oder mehrere Laser eine selektive Behandlung der Schicht erfolgen und durch andere Schichtbehandlungsmittel, die Verfestigung gestartet werden. In einer Ausführungsform wird das Partikelmaterial mit einem IR-Absorber bedruckt und anschließend mit einer Infrarotquelle verfestigt. Ein „Druckmodul“ im Sinne der Offenbarung ist eine Vorrichtung zur Dosierung von Flüssigkeiten auf ein Substrat, wobei marktübliche Druckmodule bekannter Hersteller eingesetzt werden, wie z.B. Inkjet-Produkte der Hersteller Xaar, Seiko oder Fuji Dimatix.
„Schichtbehandlungsmittel“ im Sinne der Offenbarung sind alle Mittel, die geeignet sind, um einen bestimmten Effekt in der Schicht zu erzielen. Dies können die vorgenannten Einheiten wie Druckkopf oder Laser aber auch Wärmequellen in Form von IR-Strahlern oder andere Strahlungsquellen wie z.B. UV-Strahler sein. Denkbar sind auch Mittel zur De- oder Ionisierung der Schicht. Allen Schichtbehandlungsmitteln gemein ist, dass ihre Wirkungszone auf die Schicht linienförmig verteilt ist und dass sie wie die anderen Schichteinheiten wie Druckkopf oder Beschichter über das Baufeld geführt werden müssen, um die gesamte Schicht zu erreichen.
„Reinigen“ im Sinne der Offenbarung ist das Entfernen von Verunreinigungen, z.B. Partikelmaterial, das an den Düsen anhaftet, vom Druckkopf und insbesondere von den Druckmodulen mittels Verwendung von Druckflüssigkeit, die gesteuert aus den Druckerdüsen in einer Menge abgegeben wird, sodass diese Druckflüssigkeit am Druckkopf haften bleibt. Das so abgegebene Volumen kann pro Düse von ca. 0,1 bis 1 Picoliter oder ca. 0,01 bis 1 Nanoliter betragen. Damit kann ein Lösen oder An- oder Ablösen der Verunreinigung erzielt werden und ein Entfernen von in Druckflüssigkeit gelöster Verunreinigungen mittels Anlegen von Unterdruck (Vakuum) an einer Reinigungseinheit durchgeführt werden.
„Reinigungseinheit“ im Sinne der Offenbarung ist ein Mittel mit dem Verunreinigungen vom Druckkopf entfernt werden und die u.a. Mittel zum Anlegen von Unterdruck oder/und Überdruck aufweist, gegebenenfalls andere Mittel wie eine Wischlippe etc.
„Reinigungsmittel“ oder „Reinigungsfluid“ oder „Reinigungsflüssigkeit“ im Sinne der Offenbarung ist eine zusätzliche Flüssigkeit, die in einem gesonderten Reinigungsschritt auf den Druckkopf aufgebracht werden kann und anschließend wieder entfernt wird, z.B. mittels Unterdruck.
„Direktes mechanisches Reinigungsmittel“ oder „direktes mechanisches Reinigen“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet den Vorgang, wobei eine Reinigung des Druckkopfes in direktem Kontakt mit einer Komponente durchgeführt wird, welche mechanisch Verunreinigungen entfernt wie z.B. eine Bürste, eine Rolle, ein Schwamm, Lappen etc.
„Kein direktes mechanisches Reinigungsmittel“ oder „kein direktes mechanisches Reinigen“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet den Vorgang, wobei eine Reinigung des Druckkopfes von Verunreinigungen ohne direkten Kontakt mit einem Reinigungsteil wie z.B. eine Bürste, eine Rolle, ein Schwamm, Lappen etc. durchgeführt wird, sondern mit anderen Mitteln wie z.B. der Verwendung des Druckfluids in Verbindung mit Unterdruck. Ein „mechanisches Reinigungsmittel“ ist dabei ein gegenständliches Bauteil, das mechanisch am Druckkopf hin und her bewegt wird. Ein Fluid z.B. eine Druckflüssigkeit soll nicht darunter verstanden werden.
„Berührungslos“ oder „berührungsloses Reinigen“ im Sinne der Offenbarung ist ein Vorgang, bei dem ein Druckkopf ohne unmittelbare Berührung oder/und ohne mechanischen Kontakt mit einem anderen Reinigungsteil oder Reinigungsmittel (wie bei einem direkten mechanischen Reinigungsmittel) einer 3D-Druckmaschine gereinigt werden kann.
„Dichtmittel“ im Sinne der Offenbarung ist ein Mittel wie ein Gummi oder dergleichen, das ein Ausfließen von Fluid, z.B. einer Druckflüssigkeit oder einer Reinigungsflüssigkeit, verhindert und das sich an Kontaktstellen oder Kontaktflächen von zwei Bauteilen befindet oder angeordnet ist.
„Fluid“ im Sinne der Offenbarung kann eine Flüssigkeit (z.B. Druckflüssigkeit, Reinigungsflüssigkeit, etc.), ein fließfähiges Material (z.B. Schlacke, Suspension, Partikelmaterial, etc.), oder ein Gas (z.B. Stickstoff, Sauerstoff, Umgebungsluft, etc.) sein.
„Druckflüssigkeit“ oder „Druckflüssigkeit eines Binders“ oder „Binderflüssigkeit“ oder „Absorberflüssigkeit“ im Sinne der Offenbarung ist die Flüssigkeit, die eine Flüssigkeit oder ein Lösungsmittel und partikuläre Materialien enthalten kann und zum selektiven Verfestigen von Partikelmaterial in einem 3D-Druckverfahren geeignet ist. Sie kann auch als Binder oder Absorber bezeichnet werden, abhängig vom 3D-Druckverfahren wie Binder-Jetting-Verfahren oder High-Speed-Sintering-Verfahren.
Ein „Umlaufsystem“ für Druckflüssigkeit oder Binderflüssigkeit oder Absorberflüssigkeit im Sinne der Offenbarung ist ein Nachfüllsystem für einen Druckkopf, wobei in der Flüssigkeit ein definierter Unterdruck (-1 bis -30 mBar) an den Düsen des Druckkopfes eingestellt wird, damit in den Düsenöffnungen ein nach innen gerichteter Meniskus zum definierten Abgeben von Druckflüssigkeit eingestellt werden kann und die Druckflüssigkeit in einem rezyklierten Kreislauf geführt wird, der von außen bei Verbrauch der Druckflüssigkeit vorzugsweise kontinuierlich nachgefüllt wird.
„Umlaufsystem mit Filter“ im Sinne der Offenbarung ist ein Umlaufsystem, das einen Filter zum Zurückhalten von Verunreinigungen aufweist.
„Tank“ im Sinne der Offenbarung ist ein Behälter, in dem Druckflüssigkeit vorgehalten wird, die an den Druckkopf und in der Folge an die Druckdüsen und dann selektiv auf das Partikelmaterial auf dem Baufeld zur selektiven Verfestigung und Herstellung von 3D-Fromteilen abgegeben wird.
„Verunreinigung“ im Sinne der Offenbarung ist das Anhaften von Baumaterial oder anderem Material am Druckkopf, das dessen Funktion beeinträchtigt oder ganz verhindert.
„Unterdruck“ oder „Vakuum“ im Sinne der Offenbarung ist die Erzeugung eines Drucks, der unter dem atmosphärischen Druck liegt.
„Überdruck“ im Sinne der Offenbarung ist die Erzeugung von einem Druck, der über dem atmosphärischen Druck liegt.
„Wischlippe“ im Sinne der Offenbarung ist ein Mittel mit dem überschüssige Druckflüssigkeit von dem Druckkopf durch abstreifen entfernt werden kann, damit keine überschüssige Druckflüssigkeit beim Anfahren der 3D-Druckvorrichtung an dem Druckkopf nach dem Reinigen desselben verbleibt.
Ein „Kammdruckkopf“ im Sinne der Offenbarung ist eine Vorrichtung nach einem geometrischen Schema angeordneter einzelner Druckmodule, wobei diese keine kontinuierliche Aneinanderreihung darstellt. Den auftretenden Lücken zwischen den Druckmodulen wird durch Verschiebung des Kammdruckkopfes und mehrmaliger Bewegung über die zu bedruckende Fläche Rechnung getragen. Im Gegensatz zu einer blockweisen Anordnung der Druckmodule kann hier Verschiebeweg eingespart werden, was zu einer einfacheren und schnelleren Mechanik und damit letztendlich auch zu einer geringeren Schichtzeit führt. Außerdem bietet die Art der Anordnung den Vorteil einer verbesserten Reinigungsfähigkeit der einzelnen Druckmodule.
Als „Druckbreite“ im Sinne der Offenbarung wird in dieser Schrift die Breite der Fläche bezeichnet, welche es durch Bewegung des Druckkopfes in der XY-Ebene zu benetzen gilt.
„Dosierbetrieb“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet den Normalbetrieb des Drucksystems in welchem die Vorrichtung im Stande ist eine definierte Fläche zu benetzen.
Von „Reinigungsbetrieb“ im Sinne der Offenbarung wird gesprochen, wenn die Druckverhältnisse an der Düsenplatte der Druckmodule vom betriebsbereiten Wert positiv oder negativ abweichen.
Von „Purgen“ im Sinne der Offenbarung spricht man bei einem speziellen Betrieb der Druckmodule, der dadurch gekennzeichnet ist, dass im Druckfluid an der Düsenplatte ein Überdruck anliegt, der den des Reinigungsbetriebs übersteigt. Dieser führt dazu, dass sich zumindest größere Tropfen des Druckfluids an der Düsenplatte bilden, welche sich vorteilhafterweise durch ihr Gewicht von dieser selbstständig abtrennen.
Als „Spüldüse“ im Sinne der Offenbarung wird ein zusätzlicher Aspekt in einem Ausführungsbeispiel beschrieben, mit dessen Hilfe die Düsenplatte mit Reinigungsfluid gespült werden kann. Dies eignet sich insbesondere bei Druckkopfvorrichtungen, die nicht von einer Fluidzirkulation Gebrauch machen.
Ein „direktes mechanisches Reinigungsmittel“ im Sinne der Offenbarung ist ein Mittel, das in einen direkten Kontakt mit dem zu reinigenden Teil treten muss, um eine Reinigungswirkung zu entfalten, wie z.B. ein Schaber, eine Bürste, ein Gewebe oder eine Rolle.
Die der Anmeldung zugrundeliegende Aufgabe wird in einem Aspekt gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reinigen eines Druckkopfes geeignet in einer 3D-Druckvorrichtung, wobei die Druckkopfflüssigkeit in Kombination mit Unterdruck verwendet wird, um Verunreinigungen am Druckkopf zu lösen und zu entfernen, wobei gegebenenfalls mit einem Mittel überschüssiges Druckfluid vor dem Wiederanfahren des 3D-Druckprozesses vom Druckkopf entfernt werden kann.
Die der Anmeldung zugrundeliegende Aufgabe wird in einem Aspekt gelöst durch eine Vorrichtung zum Reinigen eines Druckkopfes geeignet in einer 3D-Druckvorrichtung, umfassend oder bestehend aus einer Reinigungseinheit, die Mittel zum Anlegen von Unterdruck oder/und Überdruck aufweist, wobei die Reinigungseinheit zum Reinigen des Druckkopfes von Verunreinigungen eine berührungslose Reinigungseinheit ist.
Die der Anmeldung zugrundeliegende Aufgabe wird in einem Aspekt gelöst durch eine Vorrichtung zum Reinigen eines Druckkopfes geeignet in einer 3D-Druckvorrichtung, umfassend oder bestehend aus einer Reinigungseinheit, die Mittel zum Anlegen von Unterdruck oder/und Überdruck aufweist, wobei die Reinigungseinheit zum Reinigen des Druckkopfes von Verunreinigungen keine direkten mechanischen Reinigungsmittel aufweist.
Die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe wird in einem Aspekt gelöst durch ein Verfahren zum Reinigen eines Druckkopfes geeignet in einer 3D-Druckvorrichtung, umfassend oder bestehend aus den Schritten a. Positionieren oder Verfahren des Druckkopfes an die Reinigungseinheit, vorzugsweise unter, über oder neben die Reinigungseinheit, b. Abgabe von Druckflüssigkeit aus dem Druckkopf, wobei diese Druckflüssigkeit an dem Druckkopf anhaften bleibt, c. Anlegen eines Unterdruckes an der Reinigungseinheit und d. gegebenenfalls Anlegen eines Überdruckes und anschließendes Anlegen eines Unterdruckes an der Reinigungseinheit, e. gegebenenfalls Verfahren des Druckkopfes zurück über das Baufeld und gegebenenfalls Fortfahren des Druckvorganges. Es können dabei Volumina an den Düsen bzw. dem Druckkopf anhaften, die vorzugsweise im Bereich 0,01 bis 1 Nanoliter oder bei einem Druckmodul von 1000 Düsen von gesamt ca. 0,5 bis 1,5 µliter. Es können auch Volumina im Picoliter-Bereich ausreichend sein.
Die der Anmeldung zugrunde liegende Aufgabe wird in einem Aspekt gelöst durch ein Verfahren zum Reinigen eines Druckkopfes geeignet in einer 3D-Druckvorrichtung, umfassend oder bestehend aus den Schritten a. Positionieren oder Verfahren des Druckkopfes an das Druckkopfgegenstück der Reinigungseinheit, vorzugsweise unter, über oder neben das Druckkopfgegenstück, b. Koppeln der Einheiten Druckkopf und Druckkopfgegenstück, c. im Wesentlichen luftdichtes Verschließen des Druckkopfes mit dem Druckkopfgegenstück, d. Abgabe von Druckflüssigkeit aus dem Druckkopf, wobei diese Druckflüssigkeit an dem Druckkopf anhaften bleibt, e. Anlegen eines Unterdruckes und gegebenenfalls Anlegen eines Überdruckes und anschließendes Anlegen eines Unterdruckes an der Reinigungseinheit, f. Entkoppeln von Druckkopf und Druckkopfgegenstück, gegebenenfalls Verfahren des Druckkopfes zurück über das Baufeld und gegebenenfalls Fortfahren des Druckvorganges.
Die hierin beschriebenen Lösungen der der Anmeldung zugrundeliegenden Aufgabe beinhalten eine Vielzahl von technischen und wirtschaftlichen Vorteilen. Die beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren vermindern die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise oder helfen sie im Wesentlichen ganz zu vermeiden.
Ein technischer wie wirtschaftlicher Vorteil ist, dass die Reinigung des verschmutzen Druckkopfes bzw. der Druckplatte vollkommen reibungs- und verschleißfrei erfolgt im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik. Da zur Reinigung der Verunreinigungen im Wesentlichen keine zusätzlichen Reinigungsmittel wie Bürsten, Rollen und auch keine zusätzlichen Reinigungsflüssigkeiten erforderlich sind, müssen diese weder ausgewechselt noch nachgefüllt werden. Dies verringert Maschinenstandzeiten und führt so zu einer kostengünstigeren Teileproduktion. Gleichzeitig sind keine zusätzlichen Reinigungsflüssigkeiten nötig, was sich auch vorteilhaft auf die Produktionskosten auswirkt. Gleichzeitig werden durch diese fehlenden zusätzlichen Teile auch sonstige Fehlerquellen ausgeschlossen, die einerseits eine Reparatur nötig machen würden und andererseits die Kosten erhöhen würden. Auch sind keine oder wenig Verbrauchsmaterialien erforderlich, was zu einer zusätzlichen Kostenreduktion beiträgt im Vergleich zu bekannten Reinigungsvorrichtungen und Reinigungsverfahren des Druckkopfes.
Insbesondere bei additiven Fertigungsverfahren nach dem High Speed Sintering oder im Binder-Jetting Verfahren im Großmaßstab, gestattet dies einen reibungslosen, kontinuierlichen Betrieb und reduziert die Wartungskosten und Standzeiten bei der Herstellung von 3D-Formteilen.
Weiterhin zeichnet sich eine Vorrichtung nach der Offenbarung durch einfache Justierung aus, wodurch bei der Wartung Zeit eingespart werden kann.
Die wirkungsvolle Reinigung des Druckkopfes während des 3D-Druckverfahrens gewährleistet nicht nur die Herstellung von hochqualitativen Formteilen, sondern verhindert Zusatzkosten durch Verunreinigungen bis hin zu Defekten in der 3D-Druckanlage und -technik. Des Weiteren ist die automatisierte Reinigung nach der Offenbarung sehr effektiv und zeitsparend im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen und Verfahren.
Bevorzugte oder weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Es kann weiterhin eine Vorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Reinigungseinheit aufweist ein Druckkopfgegenstück, eine Dichteinheit oder Dichtmittel, einen Zugang für ein Mittel zum Erzeugen eines Vakuums und ein Mittel zum Erzeugen eines Unterdruckes, vorzugsweise wobei der Unterdruck von 120 mBar bis 990 mBar beträgt.
Es kann weiterhin eine Vorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Druckkopfgegenstück eine Schmutzauffangeinheit aufweist und einen Absauganschluss zur Leerung der Schmutzauffangeinheit.
Es kann weiterhin eine Vorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Zugang für ein Mittel zum Erzeugen eines Unterdruckes ausgewählt ist aus einer Schraubverbindung, einer Steckverbindung oder/und einer Klemmverbindung.
Es kann weiterhin eine Vorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Mittel zum Anlegen von Unterdruck oder/und Überdruck eine Vakuum- oder/und Überdruckpumpe ist und das Mittel zum Aufbringen von Fluiden eine Pumpe zum Aufspritzen oder Aufsprühen einer Flüssigkeit ist.
Es kann weiterhin eine Vorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Dichteinheit oder das Dichtmittel eine Gummidichtung ist.
Es kann weiterhin eine Vorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Druckkopfgegenstück ein oder mehrere Zugänge für eine oder mehrere Flüssigkeiten, z.B. Wasser oder Reinigungsmittel, aufweist.
Es kann weiterhin eine Vorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zusätzlich Mittel zum Aufbringen einer Flüssigkeit aufweist, wobei die Flüssigkeit vorzugsweise Wasser, eine Flüssigkeit mit Reinigungsmittel oder/und das Lösungsmittel für das Druckmedium ist oder eine oder mehrere dieser Flüssigkeiten enthält.
Es kann weiterhin eine Vorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Druckkopfgegenstück in einem Einbaumittel, vorzugsweise einer Einbauplatte, eingebettet ist, die in eine 3D-Druckvorrichtung einsetzbar ist.
Es kann weiterhin eine Vorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Druckkopf eine Druckflüssigkeit abgibt und die Druckflüssigkeit entweder in einem Umlaufsystem mit Partikelfilter geführt wird oder aus einem Tank in den Druckkopf geführt wird.
Es kann weiterhin eine Vorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Umlaufsystem der Druckflüssigkeit im Betrieb auf einen Unterdruck von -1 bis -30 mBar, vorzugsweise auf -5 bis - 15 mBar, eingestellt ist.
Es kann weiterhin eine Vorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung zusätzlich eine Wischlippe zum Entfernen von überschüssiger Druckflüssigkeit am Druckkopf aufweist.
Es kann weiterhin eine Vorrichtung nach der Offenbarung bevorzugt sein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung zur Reinigung des Druckkopfes von Verunreinigungen die Druckflüssigkeit aus den Druckdüsen nutzt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zum Reinigen eines Druckkopfes geeignet in einer 3D-Druckvorrichtung, umfassend oder bestehend aus den Schritten a. Positionieren oder Verfahren des Druckkopfes an die Reinigungseinheit, vorzugsweise unter, über oder neben die Reinigungseinheit, b. Abgabe von Druckflüssigkeit aus dem Druckkopf, wobei diese Druckflüssigkeit an dem Druckkopf anhaften bleibt, c. Anlegen eines Unterdruckes an der Reinigungseinheit und d. gegebenenfalls Anlegen eines Überdruckes und anschließendes Anlegen eines Unterdruckes an der Reinigungseinheit, e. gegebenenfalls Verfahren des Druckkopfes zurück über das Baufeld und gegebenenfalls Fortfahren des Druckvorganges.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zum Reinigen eines Druckkopfes geeignet in einer 3D-Druckvorrichtung, umfassend oder bestehend aus den Schritten a. Positionieren oder Verfahren des Druckkopfes an das Druckkopfgegenstück der Reinigungseinheit, vorzugsweise unter, über oder neben das Druckkopfgegenstück, b. Koppeln der Einheiten Druckkopf und Druckkopfgegenstück, c. im Wesentlichen luftdichtes Verschließen des Druckkopfes mit dem Druckkopfgegenstück, d.
Abgabe von Druckflüssigkeit aus dem Druckkopf, wobei diese Druckflüssigkeit an dem Druckkopf anhaften bleibt, e. Anlegen eines Unterdruckes und gegebenenfalls Anlegen eines Überdruckes und anschließendes Anlegen eines Unterdruckes an der Reinigungseinheit, f. Entkoppeln von Druckkopf und Druckkopfgegenstück, g. gegebenenfalls Verfahren des Druckkopfes zurück über das Baufeld und gegebenenfalls Fortfahren des Druckvorganges.
Es kann weiterhin ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt sein, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren zur Reinigung des Druckkopfes von Verunreinigungen die Druckflüssigkeit aus den Druckdüsen verwendet.
Es kann weiterhin ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt sein, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Reinigungseinheit mehrere Male an dem Druckkopf hin und her gefahren wird, vorzugsweise 2 bis 10 Mal.
Es kann weiterhin ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt sein, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Unterdruck von 120 mBar bis 990 mBar angelegt wird.
Es kann weiterhin ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt sein, das dadurch gekennzeichnet ist, dass während des Reinigens die Düsenplatte des Druckkopfes über Erzeugung einer Druckdifferenz zwischen +5 mBar und +90 mBar mit Druckfluid benetzt wird.
Es kann weiterhin ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt sein, das dadurch gekennzeichnet ist, dass während des Reinigens durch Erzeugen eines Unterdrucks von -10 mBar bis -90 mBar im Druckfluidsystem Restflüssigkeit in den Druckkopf eingesaugt wird.
Es kann weiterhin ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt sein, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Druckkopf mit Wasser, einer Flüssigkeit mit Reinigungsmittel oder/und dem Lösungsmittel für das Druckmedium vor dem Anlegen des Unterdruckes behandelt wird.
Es kann weiterhin ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt sein, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Flüssigkeit oder das Reinigungsmittel an die Polarität des Druckfluids angepasst ist und der Dichteunterschied weniger als 10% beträgt.
Es kann weiterhin ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt sein, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Reinigungsvorrichtung verfahren wird und die Wischlippe die an dem Druckkopf haftende Druckflüssigkeit entfernt.
Es kann weiterhin ein Verfahren nach der Offenbarung bevorzugt sein, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das 3D-Druckverfahren ein High Speed Sintering-Verfahren oder ein Binder-Jetting-Verfahren ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine Verwendung einer Vorrichtung nach der Offenbarung in einer 3D-Druckvorrichtung.
Beispielhafte Darstellung der Offenbarung anhand der Figuren
Die Offenbarung der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren beschrieben.
Fig. 1: Beispielhafte Ausführung einer Vorrichtung zur Reinigung eines Druckkopfes
Fluidpumpe (112) fördert Druckfluid aus dem Reservoir (110) über einen Fluidfilter 118 in das Druckmodul (101). Der am Fluideingang (102) anliegende Druck wird mittels Drucksensor (114) kontinuierlich gemessen. Am Ausgang (103) ist ebenfalls ein Drucksensor (115), sowie eine Rücklaufpumpe (113) angebracht, welche das Fluid wieder zurück in das Reservoir führt. Durch Anpassen der Drehzahl der beiden Pumpen anhand des durch die beiden Drucksensoren gemessenen Differenzdrucks, kann sowohl die Durchlaufgeschwindigkeit des Fluides durch das Druckmodul, als auch der für die an der Unterseite des Druckmoduls befindlichen Dosierdüsen anliegende, für den Betrieb des Druckmoduls benötigte Unterdruck, genau eingestellt werden. Wird vom Dosierbetrieb in den Reinigungsbetrieb umgestellt, werden die an den Drucksensoren zu erreichenden Sollwerte derart angepasst, dass durch die Änderung der Drehzahl der beiden Pumpen an den Druckmoduldüsen ein leichter Überdruck von vorzugsweise 5 - 15 mbar entsteht. Hierdurch bildet sich allmählich ein Flüssigkeitsfilm an der Druckmodulunterseite, in welchem sich Verunreinigungen dieser zu lösen beginnen. Um den Flüssigkeitsfilm mitsamt der darin enthaltenen Verunreinigungen zu entfernen, wird nun das Druckmodul mit geringer Geschwindigkeit von vorzugsweise 0,01 - 0,2 m/s über das Vakuumreinigungselement (106) bewegt und dieses aktiviert. Hierzu wird mittels des Druckluftmagnetventils (117) Druckluft an die Venturi-Düse mit Schalldämpfer (116) gegeben. Der durch dieses Element erzeugte Unterdruck wird über die Leitung (107) an die Reinigungsdüse (106) weitergegeben. Diese beginnt nun das überschüssige Fluid samt Verunreinigungen von der Druckmodulunterseite abzusaugen. Die Druckkammer 108 dient dabei der Homogenisierung der Verteilung des durch den anliegenden Unterdruck erzeugten Volumenstroms über die gesamte Länge der Düse (hier in die Zeichenebene hinein). Der dazwischen geschaltete Auffangbehälter (111) kann beispielhaft als Waschflasche ausgeführt werden. Der Auffangbehälter (109) dient der Aufnahme gröberer Verunreinigungen, welche nicht durch das Vakuumreinigungselement entfernt werden können. Der Abstand der Vakuumreinigung zur Düsenplatte an der Unterseite des Druckmoduls beläuft sich vorzugsweise auf 0,5 - 2 mm, in einigen Ausführungen kann bei bestimmten Druckmodulmodellen auch auf Kontakt gegangen werden, um ein besseres Reinigungsergebnis zu erzielen.
Fig. 2: Beschreibung des Vorgangs des Reinigungszyklus
In der stark vereinfachten Skizze sind die vier Schritte des Reinigungszyklus dargestellt. In Schritt (1) werden die für die Regelungen der Fluidpumpen verwendeten Sollwerte für den Druck (202) an den Düsen der Druckmodulunterseite vom Dosierbetrieb in den Reinigungsbetrieb umgeschaltet. Ein Flüssigkeitsfilm (203) bildet sich somit an der Unterseite der Druckmodule.
Der Druckkopf wird in Schritt (2) über das Vakuumreinigungselement (206) bewegt und dieses aktiviert. Bei eingestelltem Überdruck an den Düsen der Druckmodule wird dieser über dem Reinigungselement hin- und herbewegt. In der Praxis zeigten sich 5-10 langsame Überfahrten als effektiv und ausreichend. Das verschmutzte abgesaugte Fluid (207) wird hierbei nach und nach mittels sauberen Druckfluids aus dem Reservoir ersetzt.
Ein Verbleiben eines Flüssigkeitsfilms an der Unterseite der Druckmodule könnte die Druckdüsendosierung blockieren und somit den Dosierbetrieb unmöglich machen, weshalb nach wie vor vorhandenes überschüssiges, aber nun nicht verunreinigtes Druckfluid restlos entfernt werden muss. Dazu wird in Schritt (3) ein über den Dosierbetrieb hinausgehender Unterdruck zwischen -15 mBar und -50 mBar, abhängig von der Druckkopfausführung, erzeugt, welcher dazu führt, dass das überschüssige Fluid durch die Dosierdüsen eingesaugt (205), und somit dem Fluidkreislauf wieder zugeführt wird, wo es durch den Fluidfilter kontinuierlich gereinigt wird.
Der Betriebszustand wird in Schritt (4) wiederhergestellt, indem der Betriebsdruck (209) eingestellt wird und die Vakuumreinigung mittels Ausschalten des Druckluftmagnetventils deaktiviert wird. Der Druckkopf wird von der Vakuumreinigungsvorrichtung wegbewegt.
Fig. 3: Beispielhafte Ausführungen einer Vorrichtung zum Reinigen der Druckmodule nach beschriebenem Verfahren
Eine einfache Anordnung ist in (1) gezeigt. Hier ist die Vakuumreinigung (304) auf die Gesamtlänge aller Druckmodule ausgeführt. Der die Druckmodule (302) beinhaltende Druckkopf (301) muss somit über seine komplette Breite über die Vakuumvorrichtung hin und her bewegt werden. Diese Ausführung bietet die kostengünstigste Lösung.
Etwas komplexer ist eine Anordnung nach Beispiel von (2). Hier ist die Vakuumreinigung mittels dreier einzelner Vorrichtungen ausgeführt, wobei pro Druckmodul eine Vorrichtung benötigt wird. Die geometrische Anordnung in der xy-Ebene gleicht dabei beispielsweise der der Druckmodule. Somit ist die Strecke für die Hin- und Rückbewegung verkürzt, wodurch Zeit eingespart werden kann.
Ein weitere Möglichkeit stellt (3) dar: Dabei wird die Vorrichtung, welche die Druckmodule beinhaltet senkrecht zur Reinigungsvorrichtung bewegt. Dies ist genau dann Vorteilhaft, wenn die Druckkopfvorrichtung eine größere Bewegung in Y-Richtung ausführen kann, wenn diese z.B. nicht die gesamte Druckbreite einnimmt. Die Reinigung in Y-Richtung ist aufgrund des Aufbaus einiger marktverfügbarer Druckmodule effektiver, da sich somit Verschmutzungen, v.a. Agglomerate, nicht an den Stegen der Druckmodule sammeln. Des Weiteren kann es von Vorteil sein, wenn die Vakuumreinigung nicht im rechten Winkel angeordnet ist (305), da hierbei starke Verunreinigungen aufgrund der bei der Bewegung entstehenden Scherkräfte zu einer Seite weg bewegt werden. Dies ist vor allem dann wirksam, wenn die Vakuumreinigung auf nahe Distanz zur Düsenplatte der Druckmodule geht.
Fig. 4: Beispielhafte Ausführung einer Reinigungsvorrichtung bei einem Kammdruckkopf
Der Druckkopf (401) wird zunächst über die Reinigungsvorrichtung (404) in X-Richtung bewegt. Die Vakuumvorrichtung (406) greift dabei durch die Lücken (403) zwischen den Druckmodulen (402). Ist der Druckkopf positioniert, kann zunächst mittels eines Überdruckes in den Druckmodulen Druckfluid abgesetzt werden, welches durch die gitterartig ausgeführte Aufnahme (405) abtransportiert werden kann. Hier kann ebenfalls mittels einer Venturi-Düse ein Luftstrom erzeugt werden (408), der das abgesetzte Fluid bevorzugt durch die Gitter abtransportiert. Dadurch kann durch einen höheren Überdruck im Verhältnis zu den bereits erwähnten Verfahren von 10 - 100 mBar ein größeres Fluidvolumen abgesetzt werden, sog. Purging, was einen verbesserten Reinigungseffekt zur Folge hat und auch gröbere Verunreinigungen entfernt. Im nächsten Schritt wird die Druckvorrichtung in Y-Richtung über der Vakuumreingung hin und her bewegt. Aufgrund der Lücken im Kammdruckkopf, können die Vakuumvorrichtungen auf Kontakt zu den Druckmodulen ausgeführt werden, ohne dass beim normalen Dosierbetrieb Kollision der beiden Vorrichtungen auftreten würde. Um den Druckluftverbrauch zu minimieren, können die Unterdrucksysteme (407) und (408) unabhängig voneinander betrieben werden. Um der aufzunehmenden Menge gerecht zu werden, kann das Fluidauffangsystem, welches mit den Gittern verbunden ist, größer dimensioniert werden.
Fig. 5: Beispielhafte Ausführung einer Reinigungsvorrichtung mit Spülung und Wischlippe
Dieses Reinigungsverfahren eignet sich unter anderem aber nicht ausschließlich für Druckkopf-Konstruktionen, die nicht mit einem umlaufenden Fluidsystem, sondern mit einem Tank für das zu verdruckende Fluid ausgestattet sind. Somit kann zwar Über- und Unterdruck an der Düsenplatte eines Druckmoduls erzeugt werden, jedoch können die in einem Reinigungsschritt mit erhöhten Unterdruck eingesaugten Verunreinigungen nicht mehr durch einen Filter entfernt werden, wodurch das Druckmodul Gefahr läuft zu verstopfen. Des Weiteren sind in einigen additiven Fertigungsprozessen nach dem Binder-Jetting-Verfahren Partikelmaterialien im Einsatz, die eine grobe Verschmutzung der Drucktechnik nach sich ziehen und den fehlerfreien Betrieb unmöglich machen. Diese Beschränkungen können dadurch umgangen werden, dass eine Spülung mit Reinigungsfluid ggfs. in Kombination mit einer Wischlippe auf Kontakt zur Düsenplatte zum Einsatz kommt. Links und rechts der Düsenplatte eines Druckmoduls (501) befinden sich hierbei kleine, ebenfalls am Vakuumsystem mit Venturi-Düse (508) angeschlossene Saugröhrchen (505) zum Abtransport überschüssigen Reinigungs- oder Druckfluids. Die Vakuumvorrichtung ist ähnlich wie in vorherigen Ausführungsbeispielen beschrieben aufgebaut, besitzt jedoch den zusätzlichen Aspekt einer zweiten Düse (511), die die Aufgabe hat, Reinigungsfluid abzusetzen, welches die Düsenplatte des Druckmoduls bei Überfahrt benetzt (507). Das Reinigungsfluid wird über ein Tanksystem (502) mit Druckluftmagnetventil (503) über die Leitung (506) bedient. Eine zusätzliche Komponente kann eine Wischlippe (510) auf der linken Seite der Reinigungsvorrichtung sein, die verhindert, dass Reinigungsfluid auf der Düsenplatte zurück bleibt und die Dosierung des Druckmoduls beeinträchtigen kann. Im Reinigungsbetrieb wird das Druckmodul in einem Aufbau nach dieser Skizze von rechts nach links bewegt, während Reinigungsfluid abgesondert wird. Gleichzeitig ist das Vakuumsystem aktiv, sodass durch die Reinigungsflüssigkeit weggewaschene Verunreinigungen an der Düsenplatte mitsamt diesem abtransportiert werden.
Bezugszeichenliste

1:

101

Druckmodul

102

Fluideingang

103

Fluidausgang

104

Dünner Fluidfilm formt sich langsam aufgrund geringen Überdrucks

105

Geringer geregelter Überdruck aufgrund Differenz zwischen Ein- und Ausgangsmenge

106

Vakuumreinigungselement

107

Anliegender Unterdruck

108

Druckkammer zur Homogenisierung aufgrund des Unterdrucks entstehender Strömungen

109

Auffangbehälter abgestreifter Verunreinigungen der Druckmodulunterseite

110

Druckfluidreservoir

111

Auffangbehälter, hier beispielhaft als Waschflasche ausgeführt

112

Druckfluidförderpumpe

113

Druckfluidrücklaufpumpe

114

Drucksensor Vorlauf

115

Drucksensor Rücklauf

116

Venturi-Düse mit Schalldämpfer

117

Elektrische gesteuertes Druckluftmagnetventil

118

Druckfluidfilter
Fig .2:

(1)

Mittels des umlaufenden Fluidsystems wird ein positiver Druck an der Düsenplatte der Druckmodulunterseite erzeugt, sodass sich ein Flüssigkeitsfilm dort sammelt

(2)

Das Unterdrucksystem wird aktiviert und das Druckmodul über der Vakuumvorrichtung hin und her bewegt

(3)

Ein Unterdruck, höher als der Betriebsdruck wird eingestellt und restliches, nun von Verunreinigungen befreites Fluid wird wieder zurück in das Druckmodul gesaugt

(4)

Der Betriebsdruck wird wieder eingestellt und die Vakuumvorrichtung deaktiviert. Das Druckmodul ist nun gereinigt

201

Druckmodul

202

An der Düsenplatte des Druckmoduls anliegender Überdruck

203

Sich durch anliegenden Überdruck sich zu formen beginnendes Druckfluid

204

Druckfluidansammlung durch bestehenden anliegenden Überdruck

205

An der Düsenplatte anliegender erhöhter Unterdruck

206

Vakuumreinigungsvorrichtung

207

Überschüssiges Druckfluid wird abgesaugt

208

Anliegender Unterdruck

209

Wiederherstellung des Betriebsunterdrucks an der Düsenplatte
3:

(1)

Nur eine Vakuumvorrichtung erleichtert die mechanische Ausrichtung, ist jedoch nicht so effizient

(2)

Vakuumvorrichtungen pro Druckmodul sind effizienter in der Reinigung und die Reinigung findet schneller statt

(3)

Bietet die Umgebung genügend Platz, können die Vakuumreinigungen nahezu im rechten Winkel zu den Druckmodulen positioniert werden. Dies ist die effizienteste Art der Reinigung und die Ausrichtung ist vereinfacht. Mittels einer Drehung um kleine Winkel der Vakuumvorrichtungen zu den Druckmodulen können mittels zusätzlicher Scherwirkung gröbere Verunreinigungen leichter entfernt werden.

301

Druckkopfvorrichtung mit Druckmodulen

302

Einzelnes Druckmodul

303

Düsenplatte der Dosiervorrichtung des Druckmoduls

304

Vakuumreinigungsvorrichtung

305

Gedrehte Vakuumreinigungsvorrichtungen
4:

401

Druckkopf mit Druckmodulen

402

Druckmodul

403

Lücke zwischen Druckmodulen, vorzugsweise in der Breite der Druckmodule

404

Reinigungsvorrichtung

405

Gitter mit Luftstrom nach unten (in der Skizze in die Zeichenebene hinein)

406

Vakuumreinigungselement

407

Unterdrucksystem wie in Ausführungsbeispiel (1) dargelegt, verteilt auf die vorhanden Vakuumreinigungsvorrichtungen

408

Unterdrucksystem im Prinzip wie in Ausführungsbeispiel (1) dargelegt, hier verteilt auf die Gitter (405).
5:

501

Druckmodul

502

Reservoir mit Reinigungsfluid

503

Elektrische gesteuertes Druckluftmagnetventil

504

Anliegender Unterdruck

505

Saugrohr zum Abtransport von Fluidresten

506

Zufuhr Reinigungsfluid

507

Bereich zwischen Druckmodul und Vakuumreinigung wird durch Reinigungsfluid gespült

508

Erzeugung Unterdruck mit Venturi-Düse und Auffangbehälter

509

Vakuumreinigungselement

510

Wischlippe

511

Spül-Düse mit Reinigungsflüssigkeit

512

Reinigungsfluid transportiert Verunreinigungen an der Düsenplatte ab

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0431924 B1 [0002]

Claims

Vorrichtung zum Reinigen eines Druckkopfes geeignet in einer 3D-Druckvorrichtung, umfassend oder bestehend aus einer Reinigungseinheit, die Mittel zum Anlegen von Unterdruck oder/und Überdruck aufweist, wobei die Reinigungseinheit zum Reinigen des Druckkopfes von Verunreinigungen eine berührungslose Reinigungseinheit ist.
Vorrichtung zum Reinigen eines Druckkopfes geeignet in einer 3D-Druckvorrichtung, umfassend oder bestehend aus einer Reinigungseinheit, die Mittel zum Anlegen von Unterdruck oder/und Überdruck aufweist, wobei die Reinigungseinheit zum Reinigen des Druckkopfes von Verunreinigungen keine direkten mechanischen Reinigungsmittel aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Reinigungseinheit aufweist ein Druckkopfgegenstück, eine Dichteinheit oder Dichtmittel, einen Zugang für ein Mittel zum Erzeugen eines Vakuums und ein Mittel zum Erzeugen eines Unterdruckes, vorzugsweise wobei der Unterdruck von 120 mBar bis 990 mBar beträgt, vorzugsweise wobei das Druckkopfgegenstück eine Schmutzauffangeinheit aufweist und einen Absauganschluss zur Leerung der Schmutzauffangeinheit, vorzugsweise wobei der Zugang für ein Mittel zum Erzeugen eines Unterdruckes ausgewählt ist aus einer Schraubverbindung, einer Steckverbindung oder/und einer Klemmverbindung, vorzugsweise wobei das Mittel zum Anlegen von Unterdruck oder/und Überdruck eine Vakuum- oder/und Überdruckpumpe ist und das Mittel zum Aufbringen von Fluiden eine Pumpe zum Aufspritzen oder Aufsprühen einer Flüssigkeit ist, vorzugsweise wobei die Dichteinheit oder das Dichtmittel eine Gummidichtung ist, vorzugsweise wobei das Druckkopfgegenstück ein oder mehrere Zugänge für eine oder mehrere Flüssigkeiten, z.B. Wasser oder Reinigungsmittel, aufweist, vorzugsweise die zusätzlich Mittel zum Aufbringen einer Flüssigkeit aufweist, wobei die Flüssigkeit vorzugsweise Wasser, eine Flüssigkeit mit Reinigungsmittel oder/und das Lösungsmittel für das Druckmedium ist oder eine oder mehrere dieser Flüssigkeiten enthält, vorzugsweise wobei das Druckkopfgegenstück in einem Einbaumittel, vorzugsweise einer Einbauplatte, eingebettet ist, die in eine 3D-Druckvorrichtung einsetzbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckkopf eine Druckflüssigkeit abgibt und die Druckflüssigkeit entweder in einem Umlaufsystem mit Partikelfilter geführt wird oder aus einem Tank in den Druckkopf geführt wird, vorzugsweise wobei das Umlaufsystem der Druckflüssigkeit im Betrieb auf einen Unterdruck von -1 bis -30 mBar, vorzugsweise auf -5 bis -15 mBar, eingestellt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zusätzlich eine Wischlippe zum Entfernen von überschüssiger Druckflüssigkeit am Druckkopf aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zur Reinigung des Druckkopfes von Verunreinigungen die Druckflüssigkeit aus den Druckdüsen nutzt.
Verfahren zum Reinigen eines Druckkopfes geeignet in einer 3D-Druckvorrichtung, umfassend oder bestehend aus den Schritten a. Positionieren oder Verfahren des Druckkopfes an die Reinigungseinheit, vorzugsweise unter, über oder neben die Reinigungseinheit, b. Abgabe von Druckflüssigkeit aus dem Druckkopf, wobei diese Druckflüssigkeit an dem Druckkopf anhaften bleibt, c. Anlegen eines Unterdruckes an der Reinigungseinheit und d. gegebenenfalls Anlegen eines Überdruckes und anschließendes Anlegen eines Unterdruckes an der Reinigungseinheit, e. gegebenenfalls Verfahren des Druckkopfes zurück über das Baufeld und gegebenenfalls Fortfahren des Druckvorganges.
Verfahren zum Reinigen eines Druckkopfes geeignet in einer 3D-Druckvorrichtung, umfassend oder bestehend aus den Schritten a. Positionieren oder Verfahren des Druckkopfes an das Druckkopfgegenstück der Reinigungseinheit, vorzugsweise unter, über oder neben das Druckkopfgegenstück, b. Koppeln der Einheiten Druckkopf und Druckkopfgegenstück, c. im Wesentlichen luftdichtes Verschließen des Druckkopfes mit dem Druckkopfgegenstück, d. Abgabe von Druckflüssigkeit aus dem Druckkopf, wobei diese Druckflüssigkeit an dem Druckkopf anhaften bleibt, e. Anlegen eines Unterdruckes und gegebenenfalls Anlegen eines Überdruckes und anschließendes Anlegen eines Unterdruckes an der Reinigungseinheit, f. Entkoppeln von Druckkopf und Druckkopfgegenstück, g. gegebenenfalls Verfahren des Druckkopfes zurück über das Baufeld und gegebenenfalls Fortfahren des Druckvorganges.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Verfahren zur Reinigung des Druckkopfes von Verunreinigungen die Druckflüssigkeit aus den Druckdüsen verwendet, vorzugsweise wobei die Reinigungseinheit mehrere Male an dem Druckkopf hin und her gefahren wird, vorzugsweise 2 bis 10 Mal, vorzugsweise wobei ein Unterdruck von 120 mBar bis 990 mBar angelegt wird, vorzugsweise wobei während des Reinigens die Düsenplatte des Druckkopfes über Erzeugung einer Druckdifferenz zwischen +5 mBar und +90 mBar mit Druckfluid benetzt wird, vorzugsweise wobei während des Reinigens durch Erzeugen eines Unterdrucks von -10 mBar bis -90 mBar im Druckfluidsystem Restflüssigkeit in den Druckkopf eingesaugt wird, vorzugsweise wobei der Druckkopf mit Wasser, einer Flüssigkeit mit Reinigungsmittel oder/und dem Lösungsmittel für das Druckmedium vor dem Anlegen des Unterdruckes behandelt wird, vorzugsweise wobei die Flüssigkeit oder das Reinigungsmittel an die Polarität des Druckfluids angepasst ist und der Dichteunterschied weniger als 10% beträgt, vorzugsweise wobei die Reinigungsvorrichtung verfahren wird und die Wischlippe die an dem Druckkopf haftende Druckflüssigkeit entfernt, vorzugsweise wobei das 3D-Druckverfahren ein High Speed Sintering-Verfahren oder ein Binder-Jetting-Verfahren ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer 3D-Druckvorrichtung.