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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur flexiblen 3D-Druck-technischen Herstellung von bevorzugt nicht-symmetrischen Produktkörpern und/oder nicht-symmetrisch angeordneten Massen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Die Erfindung betrifft außerdem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Produkte und eine Steuerung oder Regelung für eine erfindungsgemäße Einrichtung.
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Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung von nach der Erfindung gedruckten Produkten.
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Stand der Technik
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Herkömmliche 3D-Druckverfahren nutzen zur Sicherstellung einer hinreichend hohen Genauigkeit der Formgebung angepasste kleine Druckdüsendurchmesser, sogenannte Extrusions- oder Jetdüsen, um aus den in Strang- oder Tropfenform extrudierten Produktmassenstromanteilen zur Herstellung entsprechender Produkte diese in definierter dreidimensionaler Form und gewünschter Oberflächengüte aufzubauen. Die dabei einzusetzenden Druckmassen müssen bestimmte rheologische Eigenschaften erfüllen, um zum einen den hinreichenden Verbund aufeinanderfolgend gedruckter Stränge/Tropfen/Schichten sowie zum anderen die Formerhaltung während des Druckprozesses unter den dabei herrschenden Fließdrucken sowie dem hydrostatischen Massedruck des aufgebauten Schichtpaketes unter vorliegenden Temperaturrandbedingungen standzuhalten. Diese Rahmenbedingungen erfordern bei großstückigen Produkten, welche in ihren charakteristischen Abmessungen ein Vielfaches des Durchmessers eines einzelnen gedruckten Stranges oder einer einzelnen gedruckten Schicht überschreiten, mehrere Minuten Druckzeit. Dabei sind derartige 3D-Druckverfahren zwar geeignet, um eine flexible Einzelstückfertigung komplexer Form beim „Fast Prototyping“ zu ermöglichen, jedoch wenig tauglich, um damit industrielle Herstellungskonzepte für Produkte mit hohem Produktionsdurchsatz unter industriemäßigen Bedingungen zu realisieren.
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Aufgaben
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum 3D-Drucken von Produktkörpern im 3D-Druckverfahren vorzuschlagen, das das Drucken von Produktkörpern oder Produktkörperteilen, welche aus mehreren unterschiedlich funktionalisierbaren Massenströmen bestehen sowie Produktstrukturen mit unterschiedlicher Längeskala besitzen, mit relativ hoher Genauigkeit unter industriellen Bedingungen bei erfindungsgemäß gleichzeitig relativ hohen Produktgeschwindigkeiten, erlaubt.
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Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen, die unter industriellen Bedingungen die Herstellung von 3D-Produktkörpern oder 3D-Produktkörperteilen mit relativ engen Toleranzen und erfindungsgemäß gleichzeitig relativ hohen Ausstoßzahlen ermöglicht, wobei die Produktkörper bzw. Produktkörperteile aus mehreren unterschiedlich funktionalisierbaren Massenströmen bestehen und Abmessungen auf unterschiedlicher Längeskala besitzen.
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Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, Produktkörper oder Produktkörperteile zu schaffen, die sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter industriellen Bedingungen mit gegenüber herkömmlichen Verfahren gleichzeitig relativ engen Toleranzen herstellen lassen.
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Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, geeignete Verwendungen für nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Produkte bereitzustellen.
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Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Steuerung oder Regelung für eine erfindungsgemäße Einrichtung bereitzustellen.
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Lösung der Aufgabe betreffend das Verfahren
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur flexiblen, schnellen und gleichzeitig maßhaltigen 3D-Druck-technischen Herstellung von bevorzugt nicht-symmetrischen Produktkörpern und/oder nicht-symmetrisch angeordneten Massen gelöst, aus mindestens zwei solchen, teilweise bis vollends gleichzeitig und auf verschiedenen Produktlängenskalen zu verarbeitenden, bevorzugt verschiedenen, fließfähigen Massen, mittels diesen und den verschiedenen Produktlängenskalen angepassten, zugeordneten Druckvorrichtungen gelöst - Patentanspruch 1.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur flexiblen, schnellen und gleichzeitig maßhaltigen 3D-Druck-technischen Herstellung von bevorzugt nicht-symmetrischen Produktkörpern und/oder nicht-symmetrisch angeordneten Massen gelöst, aus mindestens zwei, teilweise bis vollends gleichzeitig und auf verschiedenen Produktlängenskalen zu verarbeitenden, bevorzugt verschiedenen, fließfähigen Massen, mittels diesen und den verschiedenen Produktlängenskalen angepassten, zugeordneten Druckvorrichtungen zur Herstellung von Lebensmitteln - Patentanspruch 2.
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Des Weiteren wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur flexiblen, schnellen und gleichzeitig maßhaltigen 3D-Druck-technischen Herstellung von bevorzugt nicht-symmetrischen Produktkörpern und/oder nicht-symmetrisch angeordneten Massen, aus mindestens zwei, teilweise bis vollends gleichzeitig und auf verschiedenen Produktlängenskalen zu verarbeitenden, bevorzugt verschiedenen, fließfähigen Massen, mittels diesen und den verschiedenen Produktlängenskalen angepassten, zugeordneten Druckvorrichtungen zur Herstellung von Kosmetika - Patentanspruch 3.
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Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst durch ein Verfahren zur flexiblen, schnellen und gleichzeitig maßhaltigen 3D-Druck-technischen Herstellung von bevorzugt nicht-symmetrischen Produktkörpern und/oder nicht-symmetrisch angeordneten Massen, aus mindestens zwei, teilweise bis vollends gleichzeitig und auf verschiedenen Produktlängenskalen zu verarbeitenden, bevorzugt verschiedenen, fließfähigen Massen, mittels diesen und den verschiedenen Produktlängenskalen angepassten, zugeordneten Druckvorrichtungen zur Herstellung von Pharmaprodukten - Patentanspruch 4.
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Schließlich wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur flexiblen, schnellen und gleichzeitig maßhaltigen 3D-Druck-technischen Herstellung von bevorzugt nicht-symmetrischen Produktkörpern und/oder nicht-symmetrisch angeordneten Massen, aus mindestens zwei, teilweise bis vollends gleichzeitig und auf verschiedenen Produktlängenskalen zu verarbeitenden, bevorzugt verschiedenen, fließfähigen Massen, mittels diesen und den verschiedenen Produktlängenskalen angepassten, zugeordneten Druckvorrichtungen zur Herstellung von Kunststoff- und/oder Keramik- und/oder Metall und/oder Naturstoff-Composites - Patentanspruch 5.
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Einige Vorteile
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Die erfindungsgemäßen unabhängigen Lösungen ermöglichen das gleichzeitige Drucken von relativ großstückigen Produktteilen durch Düsen entsprechend angepasst großer Durchmesser und verbindet damit synchron ablaufende Druckprozesse für Produktteile, welche mittlere bzw. kleinere Abmessungen besitzen mit entsprechenden Düsen mittlerer/kleiner Durchmesser. Diese Druckprozesse auf unterschiedlichen charakteristischen Längenskalen greifen derart ineinander, dass die entsprechenden Produktteile unterschiedlicher Abmessungen ineinander bzw. aneinander gefügt werden und somit der multi-skalige synchrone Druckprozess einen mit dem Druckprozess synchronisierten „Zusammenbau“ entsprechender Produktteile verbindet. Das Zusammenspiel der entsprechenden apparativen/prozesstechnischen Komponenten für mindestens zwei, bevorzugt mehr als zwei, Druckteilproduktkörpergrößen/Druckteilgrößen wird erfindungsgemäß über ein kombiniertes Druckkopf-Vorrichtungs-Konzept realisiert, welches einer abgestimmte Steuerung oder Regelung im Zusammenspiel mit kommunizierender Robotern unterliegt.
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Als zusätzlich besonders vorteilhaft für die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrensweisen wird in Anspruch genommen, dass die einzelnen Produktteilströme zum Drucken von Produktkörpern oder Produktteilkörpern der unterschiedlichen Größen (makro-, meso-, mikro, oder weitergehend unterteilt) separat in ihren Fließeigenschaften eingestellt werden können und ebenso separat bestimmte Funktionalisierungen hinsichtlich resultierender Produkteigenschaften vorteilhaft präzise und im Produkt definiert platzierbar vorgenommen werden können.
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Hinsichtlich der rheologischen Eigenschaften bedarf es bei Produktteilen, also gedruckten Produktkörpern oder Produktkörperteilen mit größeren Abmessungen erhöhter Fließgrenzen, um die „Zerfließresistenz“ nach erfolgter Deposition der Druckmasseanteile zu unterbinden. Bei gedruckten Produktionskörpern oder gedruckten Produktkörperteilen mit kleinen Abmessungen kann hingegen eine Fließgrenze deutlich erniedrigt sein und andererseits auch allein ein Grenzflächenspannungs-/Benetzungs-Effekt genutzt werden, um hinreichende Formstabilität des gedruckten Produktkörpers oder Produktkörperteils zu gewährleisten.
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Hinsichtlich einer selektiven funktionalen Produkt-Teilstrom-Optimierung zum Beispiel bei Lebensmittelsystemen können Zusätze von bestimmten Aroma-, Geschmacks-, Farb- und Textur-Komponenten oder oberflächenstrukturgebenden Eigenschaften teilstromspezifisch erfolgen. Aus einem derart funktionalisierten Teilstrom kann ein Produktkörper oder ein Produktkörperteil erzeugt werden, welches zum Beispiel in Abstimmung mit den physiologischen Gegebenheiten im Mundraum oder Verdauungstrakt der Konsumenten eine verbesserte Wirksamkeit der zu erzielenden Funktion (zum Beispiel Aromaintensität, Verdaubarkeit/Bioverfügbarkeit) gewährleisten lässt. Dadurch kann beispielsweise ein erhebliches Einsparpotential an entsprechenden Komponenten realisiert werden, sofern aus funktionellen Gründen die Notwendigkeit der entsprechenden Zusätze zur Gesamtmasse des Produktes, wie üblicherweise vorgenommen, nicht erforderlich ist.
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Als besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahrenslösungen hat sich gezeigt, dass eine spezifische Platzierung/Anordnung der gedruckten Produktkörper oder gedruckten Produktkörperteile unterschiedlicher charakteristischer Abmessungen besondere Einflussnahmemöglichkeiten auf die Produktfunktionalität in Aussicht stellt. So können zum Beispiel feine Tropfen oder Linienstrukturen an bestimmten Teilen der Produktoberfläche angefügt werden, um damit eine verstärkte Interaktion mit Mechano- und Geschmacks-/Aroma-Rezeptoren im Mundraum oder in der retronasalen Kavität (zum Beispiel durch schnelle Anreicherung der Ausatemluft mit volatilen Aromakomponenten) des Konsumenten beim Produktverzehr wirksam werden zu lassen. Es kann damit zu einem „Geschmacks-/Aroma Boost“ kommen.
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Von besonderem diesbezüglich verbraucherrelevantem Interesse ist in diesem Kontext die Reduktion von Zucker, Salz und Fett, um diesbezüglich die Empfehlung der WHO zu erfüllen, und zwar in einer Mehrzahl an Lebensmitteln. Gedruckte Oberflächenstrukturen werden als geeignet erachtet, sowohl süßes wie salziges Geschmacksempfinden zu verstärken, womit bestimmten Produkten nicht wie üblich in ihrer Gesamtmasse Zucker und/oder Salz zugesetzt werden müsste. Ebenso lassen gedruckte Oberflächenstrukturen die Ausbildung bestimmter Benetzungseigenschaften von Zunge und Gaumen und damit verbundenen Möglichkeiten der Erzeugung „fettartiger“ Gleiteigenschaften, adaptieren.
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Auf der Basis der vorab beispielhaft beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich neuartige Produkte/Produktkörper oder Produktkörperteile mit Produktqualitäten erzielen, die gegenüber früheren Produkten erheblich verbessert sind hinsichtlich Funktionalität und Einsparpotential an funktionalisierenden Ingredienzien, und welche darüber hinaus künftig mit hohen Durchsatzraten bei erfindungsgemäß gleichzeitig realisierbarer hoher Maßhaltigkeit, produziert werden können. Ferner sind die beispielsweise ausgeführten, neuartigen Produktqualitäten und Funktionalitäten von hohem Interesse aus Verbraucher-/Anwendersicht hinsichtlich deren sensorischer Präferenz, sowie gesundheitlich relevanter Ernährungsaspekte.
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Die erfindungsgemäße SYnchrone MUlti-Skalige 3D-Printing (SYMUS)-Technologie kann auf dieser Basis neue Produktionsmöglichkeiten in den Bereichen Lebensmittel, Kosmetik, Baustoff, Pharma, Keramik, Kunststoff und Chemieindustrien künftig anbieten lassen.
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Dabei ist von besonderem Vorteil, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrensweisen bei hoher Produktionsleistung die Einhaltung enger Toleranzen ermöglichen.
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Zur Prozessautomation ist es möglich, in einer zentralen Rechnereinheit Regelalgorithmen und Rezepturen abzulegen, die zwei oder mehrere, insbesondere mehrachsige Roboter mit geeigneten Druckvorrichtungen steuern und regeln, wobei diese Roboter Druckvorrichtungen gesteuert bzw. geregelt bewegen und aus geeigneten Vorratsbehältern die zu druckenden Massen, zum Beispiel Schokoladenmassen oder schokoladenähnliche Massen, den Druckvorrichtungen gesteuert und geregelt rezepturspezifisch zuführen, um daraus geeignete gedruckte Produktkörperteile, zum Beispiel von Pralinen oder dergleichen herzustellen.
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Die mit diesen Druckvorrichtungen gekoppelten Robotersysteme können Produkte auf geeigneten Transportvorrichtungen, zum Beispiel kontinuierlich oder intermittierend angetriebenen Förderelementen, ablegen, welche die gedruckten Produkte wegfördern, um sie entweder einer geeigneten Verpackungsstation und/oder Lagerstation zuzuführen.
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Dabei ist es auch möglich, durch eine oder mehrere Rechnereinheiten eine Vielzahl von Robotern mit ihren Druckvorrichtungen zu steuern und/oder zu regeln, um auf parallel und/oder hintereinander angeordneten Fördervorrichtungen gleiche oder unterschiedliche gedruckte Produktkörper, zum Beispiel Pralinen mit unterschiedlichen Füllungen, gleichzeitig, getrennt oder gemischt in freier Verkettung, durch einen Zentralrechner gesteuert oder geregelt, herzustellen, und das mit entsprechend hohen Produktionsleistungen und den einzuhaltenden engen Maßtoleranzen.
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Heiz- und Kühlvorrichtungen können den Druckvorrichtungen einzeln oder getrennt zugeordnet sein, um die zu druckenden Produktkörper oder Produktkörperteile zu drucken.
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Aus der Kombination von Druckvorrichtungen, welche auf mehreren Längenskalen gleichzeitig Produktteile drucken und das Produkt aufbauen, wobei abgestimmt auf den Produktzweck für bestimmte Produktteile, mit deren Größe angepassten Düsen, gearbeitet werden kann, resultieren vorteilhaft sehr viel höhere Produktionsgeschwindigkeiten im Vergleich zu herkömmlichen 3D-Druckverfahren. Nicht nur wird auf verschiedenen Längenskalen gearbeitet, was bereits erheblich die Produktionszeit reduziert, sondern die Größen der Düsen sowie deren Geometrie können jeweils auf das Produkt bzw. Produktteil angepasst werden, wodurch das Potential der gleichzeitigen Bearbeitung auf verschiedenen Größenskalen vollständig ausgenutzt wird.
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Ebenfalls äußerst vorteilhaft ist, dass mehrere Druckeinheiten zeitabschnittsweise oder vollständig zeitgleich das Produkt aufbauen, was zu einem erheblichen zusätzlichen Zeitgewinn im Produktionsprozess führt. Im Gegensatz zu einigen etablierten Techniken erlaubt das hier vorgeschlagene Verfahren mit großem Vorteil, insbesondere auch nicht-symmetrische Produkte, mit hoher Geschwindigkeit zu erzeugen, da durch den additiven Aufbau und das Zusammenwirken mehrerer Extrusions- und/oder Drucksysteme die Formgebung hochvariabel ist und darüber hinaus prinzipiell von einem zum anderen Produkt sehr variabel und schnell angepasst werden kann. Als besonders vorteilhaft ist ferner zu bewerten, dass ein Produkt aus einer Mehrzahl an Massen aufgebaut wird, und dies im Vergleich zu bestehenden Verfahren ebenfalls mit deutlich höherer Produktionsgeschwindigkeit, womit ferner problemlos auch lokale Textur-, Geschmacks- und Aroma-Sensorikeigenschaften eines Produkts eingestellt werden können. Insbesondere die nicht-symmetrische Anordnung von Massen, die zudem noch unterschiedlich zusammengesetzt sein können, führt zu hohen Freiheitsgraden hinsichtlich der Einstellung sensorischer Eigenschaften, im Falle von Lebensmitteln, beispielsweise hinsichtlich der Süßewahrnehmung oder der Wahrnehmung von Aromen.
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Anisotrope Anordnungen, auch in Verbindung mit einer spezifischen texturgebenden Wirkung einzelner Produktteile, sind mit herkömmlichen Methoden entweder überhaupt nicht oder nicht mit vergleichbarer Flexibilität und Produktionszeit realisierbar. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren ergibt sich zusätzliche vorteilhafte Flexibilität des Verfahrens vor allem auch daraus, dass geeignete Druckeinheiten vorteilhaft miteinander kombiniert oder auch schnell getauscht werden können. So können Produktteile mit größeren Längenskalen idealerweise über großdüsige Extrusions-Druckvorrichtungen erzeugt werden, während die Erzeugung feiner Strukturen oder die lokale Anordnung von funktionellen, hochwirksamen, aber kleinvolumigen Bestandteilen idealerweise über kleindüsige Extrusions-Druckvorrichtungen oder Jet-Druckvorrichtungen erfolgt.
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Weitere erfinderische Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
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Gemäß Patentanspruch 6 kann der erzeugte Produktkörper oder die erzeugten Produktkörperteile bei einer mittleren Produktabmessung von 5 cm in Breite, Höhe und Länge mit einer Maßgenauigkeit von < 100 Mikrometern, bevorzugt < 600 Mikrometern, insbesondere 1000 Mikrometern, erzeugt werden.
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Von besonderem Vorteil ist die hohe Maßhaltigkeit, die zum einen von der Präzision der Bewegung und Repositionierbarkeit der Druckeinheiten bzw. der dazugehörigen Robotikeinheiten und zum anderen auch vom Formhaltevermögen und den Verfestigungseigenschaften der beteiligten Massen abhängt. Eine hohe Maßhaltigkeit wird erreicht durch optimale Abstimmung des Materials bzw. dessen Fließ- und Verfestigungseigenschaften auf den Produktionsprozess. Bei Produkten, bei denen eine extrem hohe Maßhaltigkeit notwendig ist, kann diese beispielsweise durch eine höhere Auflösung mittels auf Mikrolängenskala (< 100 Mikrometer Druckauflösung) druckender Vorrichtung zum Beispiel bei den oberflächennahen Bereichen des zu druckenden Objekts sichergestellt werden. Hierdurch lassen sich Produktkörper und Produktkörperteile mit nach Industriemaßstäben hoher Maßgenauigkeit drucken.
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Patentanspruch 7 beschreibt ein Verfahren, bei welchem der erzeugte Produktkörper oder die erzeugten Produktkörperteile bei einer mittleren Produktabmessung von 5 cm in Breite, Höhe und Länge, einer Masse von > 10 Gramm und einer Dichte zwischen 0,1 und 1,5 g/cm3 in einem Zeitintervall von <10 Sekunden, bevorzugt < 60 Sekunden, hergestellt werden.
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Produktteile können aus verschiedenen Materialstrukturtypen bestehen, zum Beispiel aus Emulsionen, Suspensionen (hohe Dichte) oder Schäumen (geringe Dichte). Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass diese verschiedenen Materialtypen problemlos in einem Produkt nebeneinander platziert werden und weitestgehend unvermischt vorliegen können und damit neue sensorische Wahrnehmungen abzuleiten sind. Alle diese Materialstrukturtypen können problemlos verarbeitet und mit geeignet angepassten Extrusions- und/oder Jet-Druckeinrichtungen platziert werden, wahlweise und in variabler Form (zum Beispiel Strang- oder Tropfenform). Die erreichbare Produktionsgeschwindigkeit eines Produkts hängt davon ab, welche Funktionalitäten und damit verbundene Anordnung der einzelnen Druckmassenteile im Produkt vorgesehen sind. Einfache, vorzugsweise achsensymmetrische Produkte aus drei Massen (zum Beispiel Teil-Hohlkörpermasse/Füllmasse/Oberflächenstrukturierungsmasse), bei denen letztere per Jet-Druck appliziert wird, erreichen Produktionszeiten von wenigen Sekunden. Komplexere, anisotrop strukturierte, asymmetrische Produktformen aus drei unterschiedlichen Massen, bei denen Gradienten von funktionellen Komponenten aufgebaut werden sollen, benötigten mehr Produktionszeit (ca. 50-60 Sekunden), weisen aber auch einen besonderen sensorischen Verbrauchernutzen auf. Vergleichbar zeitlich aufwendiger in ihrer Herstellung sind Produkte, bei denen komplexe, optisch besonders ansprechende Konturen produziert werden.
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In Patentanspruch 8 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem das erzeugte Produkt eine Formhaltigkeit (FH) von > 95% aufweist, wobei diese als Maß für eine Abweichung der charakteristischen Produktkörperabmessungen oder Produktkörperteilabmessungen und/oder der Querschnittsform-Abmessungen der gedruckten Produktkörper oder Produktkörperteile vom Soll-Wert um < 5% definiert ist.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine gute Passgenauigkeit für Produktverpackungen und der störungsfreie Betrieb der entsprechenden Verpackungsvorrichtungen garantiert werden kann.
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Gemäß Patentanspruch 9 werden zur Herstellung Extrusions- und/oder Jet-Druckverfahren angewendet, wobei die ausgebrachten Massen durch Sintern, Kleben oder Schweißen mit bereits ausgebrachten, verfestigten und/oder teilverfestigten Massen/Masseteilen miteinander verbunden werden.
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Wesentlich für einen synchronen bzw. teilsynchronen und multi-skaligen Produktaufbau ist die Verbindung der neu ausgebrachten Massen mit bereits teilverfestigten oder verfestigten Massen. In der Regel erfolgt die Verbindung durch ein partielles WiederAufschmelzen oder Versintern der bereits (teil-)verfestigten Masse durch einen Teil der thermischen Energie der neu ausgebrachten Masse. Je nach Materialeigenschaften kann es auch zu einem Verkleben kommen, bei speziellen Verfahren auch zu einem Verschweißen, beispielsweise unter Zuhilfenahme einer weiteren Energiequelle wie einem Laser. Je nach Masseeigenschaften kann der Grad der Verbindung zwischen zwei Schichten durch genaue Kontrolle der Temperaturen bzw. des spezifischen Energieeintrages gesteuert werden, so dass einerseits funktionelle Produkteigenschaften der spezifisch funktionalisierten Massen weitestgehend erhalten bleiben oder andererseits die Textur eines Lebensmittels im Falle definierter Strukturveränderungen in einer wieder aufgeschmolzenen Schicht zur gezielten Struktur-/Textureinstellung mitgenutzt werden kann.
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Patentanspruch 10 beschreibt ein Verfahren, bei welchem der Grad der Klebung, Sinterung oder Schweißung durch die massespezifischen Prozessparameter, Temperatur und/oder Stranganpressdruck sowie die materialspezifischen Parameter Fließverhalten, fluider bzw. fester (kristalliner und/oder amorpher und/oder temperaturabhängig erstarrender und/oder ionenart-/ionenkonzentrationsabhängig gelbildender) Phasenanteile in den Massen gesteuert oder geregelt werden.
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Die aufgeführten Optionen zur Steuerung der Verbindung zwischen ausgebrachten Massen sind abhängig von den Massen und deren Zusammensetzungen selbst. Wesentlich ist der Stranganpressdruck zur Vergrößerung der Kontaktfläche sowie der Verfestigungsmechanismus generell. Vorteilhaft ist verfahrensbedingt die hohe Flexibilität hinsichtlich der einzusetzenden Druckmassen. Damit sind die verschiedenen Verbindungsmechanismen zwischen zwei Schichten flexibel handhabbar und nebeneinander (im selben Produkt) anwendbar.
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Lösung der Aufgabe betreffend die Einrichtung
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Diese Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 11 dadurch gelöst, dass für jeden der zu druckenden Produktkörper/Produktkörperteile, angepasst an die jeweilige, charakteristische Produktlängenskala, eine Druckvorrichtung bestehend aus (i) Druckkopf passender Druckkopfcharakteristik, (ii) Dosiereinheit, (iii) Temperiereinheit sowie eine Robotik-Vorrichtung, welche eine Produktionseinheit bilden vorgesehen sind, wobei die Druckvorrichtung über ein Bajonett-System oder dergleichen mit der Robotikvorrichtung schnell ge- bzw. entkoppelt oder gegen eine andere entsprechende Druckvorrichtung ausgetauscht werden kann, und wobei die Komponenten der Druckvorrichtung und der Robotikvorrichtung zeitlich und räumlich aufeinander abgestimmt programmierbar gesteuert oder geregelt sind, und mindestens zwei dieser Produktionseinheiten teilweise bis vollständig gleichzeitig arbeitend die Produktkörper oder die Produktkörperteile unterschiedlicher charakteristischer Produktlängenskalen mit angepasst kontrollierter Geschwindigkeit drucken und diese Teile beim Drucken derart platzieren, dass eine vorher festgelegte, definierte räumliche Anordnung und Verbindung derselben entsteht.
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Von besonderem Vorteil ist der modulare Aufbau einer Produktionseinheit aus (1) einer Druckeinrichtung, ihrerseits bestehend aus (1.1) Druckkopf, (1.2) Dosiereinheit und (1.3) Temperiereinheit sowie (2) einer Robotik-Vorrichtung. Dies ermöglicht deren variable Kombination und unterstützt die hohe Flexibilität hinsichtlich einer schnellen Anpassung an unterschiedliche Produkte oder Produktionsgegebenheiten. Dies wird ferner unterstützt durch die Anordnung eines Bajonett-Systems, das Druckeinrichtung, und Robotik-Vorrichtung schnell wechselbar gestaltet.
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Weitere erfinderische Ausgestaltungen
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Weitere erfinderische Ausgestaltungen sind in den Patentansprüchen 12 bis 15 beschrieben.
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Patentanspruch 12 beschreibt eine Einrichtung, bei welcher jede der Druckvorrichtungen einen Druckkopf mit mindestens einer einstellbaren Dosiereinheit aufweist, welche jeweils mit mindestens einer wechselbaren Massen-Vorrats-/Versorgungseinheit verbunden ist.
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Mit der Möglichkeit auch für jeden Druckkopf mit Dosiereinheit eine verbundene Massen-Vorrats-/Versorgungseinheit ebenfalls wechseln zu können wird der Flexibilitätsgrad der Einrichtung weiter vorteilhaft gesteigert.
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Patentanspruch 13 beschreibt eine Einrichtung, welche die installierten Druckköpfe mit mindestens einer Dosiereinheit wahlweise Einzeltropfen, Sprays oder Stränge erzeugen mit jeweiliger Anpassung an die rheologischen Eigenschaften der zu druckenden Massen.
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Die wahlweise angepasste Erzeugung von Einzeltropfen, Sprays oder Strängen als „Druckelemente“ schafft eine wünschenswert große und flexible Bandbreite für die grundlegende Formgebung der zu druckenden Produktteile. Alle drei dieser Druckgrundformen (Einzeltropfen, Spray oder Strang) lassen sich prinzipiell auf Makro-, Meso- und Mikro-Längenskalen realisieren, wenngleich Einzeltropfen und Sprays hauptsächlich auf Mikro- und evtl. Meso-Längenskala benutzt werden. Die rheologischen Eigenschaften der zu druckenden Massen werden auf die zu erzielende Druckgrundform sowie die daraus zu erstellenden Produktteile abgestimmt. So benötigen zum Beispiel makro-skalig (cm-Größenordnung) zu druckende Strangformen eine hinreichend hohe Viskosität und Fließgrenze, während Mikro-Einzeltropfen (< 100 Mikrometer Größenordnung) niedrigviskos bei erhöhter Oberflächenspannung bevorzugt sind.
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Die von Patentanspruch 13 somit repräsentierte Vorteilhaftigkeit besteht in der zusätzlich erweiterten Flexibilität der erfindungsgemäßen Einrichtung durch gegebene Auswahl der Druckgrundformen und der mit diesen unter Einstellung der rheologischen Druckmasseneigenschaften erweiterte Bandbreite der zu druckenden Produktteilstrukturen auf verschiedenen Längenskalen.
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Gemäß Patentanspruch 14 ist die Einrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Dosiereinheit an die rheologischen Eigenschaften der zu druckenden Massen sowie an die Dosierkinetik eines zugeordneten Aktors und die Düsengeometrie angepasst ist.
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Die in Patentanspruch 14 adressierte Vorteilhaftigkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt in der Abstimmbarkeit der Dosierkinetik und damit der Druckgeschwindigkeit über (a) die einstellbaren rheologischen Eigenschaften der Druckmassen und (b) die abgestimmte Geometrie der Druckdüse. Dies entspricht einer weiteren Erweiterung der nutzbaren Freiheitsgrade für die Einstellung des Druckvorganges und damit einer weiteren Flexibilitätserhöhung.
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Nach Patentanspruch 15 ist eine erfindungsgemäße Einrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sich der Druckkopf an die rheologischen Eigenschaften der Massen im zu druckenden Bereich unter Berücksichtigung kritischer, irreversibel strukturverändernder Spannungen in der Masse über deren Temperierung mit einer Temperatur-Einstellgenauigkeit von +/- 1°C, bevorzugt +/- 0,5°C, weitergehend bevorzugt +/-0,1 °C, anpassen lässt.
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Vorteilhaft ist die sensitive Einstellbarkeit der rheologischen Druckmasseneigenschaften über die Massetemperatur. Diese kann bei adäquater Voreinstellung in der Massen-Vorrats-/Versorgungseinheit im Druckkopf zusätzlich feinjustiert werden.
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Lösung der Aufgabe betreffend das Produkt
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Diese Aufgabe wird zunächst gemäß Patentanspruch 16 dadurch gelöst, dass das Produkt ein Lebensmittel, beispielsweise ein Schokoladen-Produkt, Zucker-Confectionery Produkt, Teigware, Gebäck/Backware, Brotaufstrich, Käse, Snack-Composite, Pflanzenprotein-basiertes Fleischanalog, Milchprodukt, Fettprodukt, Wurstware/ Pastete, Süßspeise, Eiskrem ist.
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Der Erfindungsgegenstand ermöglicht die Herstellung neuartig funktionalisierter Lebensmittelprodukte und Produktqualitäten mit verbesserter Funktionalität hinsichtlich der sensorisch wahrgenommenen Aroma-, Geschmacks- und Textur-Eigenschaften (zum Beispiel Aroma-Boost) sowie Einsparpotential an funktionalisierenden Ingredienzien sowie deren Produktion mit hohen Durchsatzraten. Die neuartigen Produktqualitäten und Funktionalitäten sind damit von hohem Interesse aus Verbraucher-/Anwendersicht hinsichtlich deren sensorischer Präferenz, sowie gesundheitlich relevanter Ernährungsaspekte.
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Außerdem kann die Aufgabe gemäß Patentanspruch 17 dadurch gelöst werden, dass das Produkt ein Kosmetikum/Pflegemittel, beispielsweise ein Lippenstift oder eine Seife, ist.
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Neuartige Produktformgebungen sowie der Einbau von verschiedenen Duftstoffen in verschiedene Teile/Zonen des Kosmetikproduktes schaffen ergonomische, ästhetische und sensorische Vorteile.
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Außerdem wird die Aufgabe gemäß Patentanspruch 18 dadurch gelöst, dass das Produkt ein Pharma-Produkt, beispielsweise eine Wundauflage, ein Suppositorium, eine Prothese, ein Korsett, ein künstliches Gelenk, eine Stützstruktur, ein Operationshilfsmittel zum Fixieren von Knochen, ist.
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Die Möglichkeiten einer lokalen Anordnung von spezifischen Funktionalitäten (zum Beispiel bei Wundauflagen freisetzbare blutstillende Wirkstoffe in Teilen einer oberen wundberührenden Schicht, daneben Blut/Wundsekret aufsaugende Bereiche, gedruckt mit hochporösen Aerogel-Schäumen) lassen vorteilhaft verschiedene Funktionen zielführend anordnen und nutzen. Bei der 3D-druckbasierten Herstellung von Prothesen lassen sich großkalibrige Basisstrukturen (zum Beispiel Gelenkknochen) vorteilhaft gleichzeitig mit funktionellen Oberflächenfeinstrukturen (zum Beispiel Gelenkknorpelschicht) optimal verbindend und in kurzen Druckzeiten drucken.
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Das Produkt gemäß Patentanspruch 19 ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Composite-Produkt bestehend aus Kunststoff und/oder Keramik und/oder Metall und/oder Naturstoff, beispielsweise ein Stützelement, ein Holzbauteil, eine Prothese, ein Korsett, ein künstliches Gelenk, ist.
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Wiederum liegt der besondere Vorteil in der Möglichkeit mehrere Massen mit spezifischen Funktionalitäten definiert in Produkten, abgestimmt auf die zu erzielende Funktion, zu platzieren und vereinfacht in kurzer Produktionszeit herzustellen (zum Beispiel künstliches Gelenk; siehe Beschreibung zu Patentanspruch 18 unter Verwendung „künstlicher“ Werkstoffe, zum Beispiel faserverstärkte Polymere für Makro-Element und Teflonschicht als Gelenkpfannenauskleidung)
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Patentanspruch 20 beschreibt ein Produkt, das aus mindestens zwei Massen gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung besteht, die aus den verschiedenen Massen hergestellten Produktkörper oder Produktkörperteile unterschiedliche charakteristische Abmessungen besitzen und diese Produktkörperteile dauerhaft fixiert oder beweglich miteinander verbunden sind.
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Gemäß diesem Anspruch kann ein Produkt entweder aus verschieden Massen zusammengesetzt bestehen oder aus gleichen Massen, die aber aus unterschiedlichen Druckeinheiten auf unterschiedlichen Längenskalen dem Produkt in Form von Produktteilen oder Teilbereichen zugefügt werden. Unter Produktteil oder Teilbereich ist eine zusammenhängende Produkteinheit, erzeugt durch das Wirken einer Druckeinrichtung, zu verstehen. Es ist ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass großvolumig, gefüllte oder hohle Teile einheitlicher Zusammensetzung über eine direkte Extrusion dieser Teile erzeugt werden. Mindestens zwei, aber unterschiedlich zusammengesetzte Massen werden benötigt, wenn Gradienten einer funktionellen Komponente (im Falle eines Lebensmittels wie beispielsweise Zucker, Salz, Fett, Aroma) erzeugt werden. Je nach beabsichtigter Wirkung werden die Abmessungen der Produkteile unterschiedlicher funktioneller Komponentenkonzentration und damit auch ihr Anteil am Produkt festgelegt. Derart können unterschiedlich starke Gradienten, bei gleicher oder auch reduzierter Konzentration einer funktionellen Komponente im gesamten Produkt, für massgeschneiderte Wahrnehmungscharakteristika realisiert werden.
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Patentanspruch 21 beschreibt ein Produkt, bei welchem die Produktfunktionalität wie beispielsweise die Haptik, Textur, Optik, Aroma-Sensorik bestimmt ist durch die anwendungsspezifische Zusammensetzung der am Druckverfahren beteiligten Massen wie beispielsweise durch die Konzentration Aroma-, Geschmacks-, Farb- und/oder texturgebender Bestandteile und/oder durch die jeweilige Anordnung der Massen im Produktkörper bzw. in Produktkörperteilen und/oder durch die Formgebung des Produktkörpers bzw. der Produktkörperteile und/oder durch die Detailformgebung der Oberfläche des betreffenden Produktkörpers oder der Produktkörperteile.
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Hier ist insbesondere die räumliche Anordnung verschiedener mit funktionellen Komponenten dotierter Massen entscheidend für die vorteilhafte Funktionalität des Produkts, da die betreffenden Rezeptoren dann zu bestimmten Zeitpunkten mit der/den funktionellen Komponente/n in Berührung kommen. Die Intensität der Wirkung hängt von der Konzentration der funktionellen Komponente(n), aber auch von deren Platzierung im Produkt sowie der „strukturellen Umgebung“ eines derartigen Platzierungsortes ab. Bei einer beispielsweise möglichen Produktoberflächenplatzierung einer funktionellen Komponente und Vorliegen einer gewellten Oberfläche resultiert eine vergrößerte Oberfläche, welche beim Verzehr eines entsprechenden Lebensmittels in einer initialen Phase des Verzehrvorganges die Zungen- bzw. Gaumenoberfläche berührt. Einzelne „aufgedruckte“, zum Beispiel unter physiologischen Temperaturbedingungen aufschmelzende Erhebungen berühren Rezeptoren (bei Lebensmittel beispielsweise Geschmacksknospen) prädestiniert. Die durch die Oberflächenstruktur vergrößerte spezifische Produktoberfläche sorgt für eine intensivere Wahrnehmung in Folge verbesserter Ausbreitung und Verteilung der aufschmelzenden Erhebungen mit beinhalteter funktioneller Aroma-/Geschmackskomponente. Eine entsprechende Wirkung zeigt auch die Formgebung des Gesamtprodukts, das sich dadurch beispielsweise verbessert der Mundraum/Zungen/Gaumen Kontur anpassen kann.
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Aus Patentanspruch 22 ist ein Produkt zu entnehmen, bei dem eine oder mehrere Massen unter ernährungsphysiologischen Gesichtspunkten formuliert sind.
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Erfindungsgemäß können bestimmte, vor allem ernährungsphysiologisch vorteilhafte, Inhaltsstoffe in einer oder mehreren Massen und somit resultierenden unterschiedlichen Produktteilen vorliegen. Damit können vorteilhaft beispielsweise ernährungsphysiologisch wertvolle, allerdings sensorisch problematische, funktionelle Komponenten nur in bestimmten Massen vorliegen, die für eine Anordnung im Inneren eines Produktes oder Produktteils derart vorgesehen sind, dass sie mit den Geschmacksrezeptoren im Mund nicht oder nur sehr wenig in Kontakt kommen, im Magen-DarmTrakt hingegen effizient freigesetzt werden und damit physiologisch wirksam werden.
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Das Produkt nach Patentanspruch 23 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Formulierung der Massen hinsichtlich Zucker- und/oder Salz- und/oder Fettgehalten und/oder Gehalten sonstiger Zusätze und/oder funktionalisierender Komponenten abgestimmt auf die Anordnung im Produktkörper bzw. in Produktkörperteilen eine Reduzierung derselben Komponenten im gesamten Produkt ohne sensorische bzw. funktionelle Nachteile realisiert.
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Als sehr vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass sich insbesondere eine ungleiche Verteilung von Stoffen in Verbindung mit deren gezielter Anordnung und/oder Konzentration im Produkt dazu führen kann, dass die Wahrnehmung von funktionellen Komponenten erhöht, aber auch reduziert werden kann. Während man beispielsweise bei Zucker in der Regel eine Reduktion des Stoffes anstrebt, wird man beispielsweise bei ernährungsphysiologisch wertvollen, aber sensorisch nachteiligen Stoffen eher eine verminderte Wahrnehmung anstreben. Neben den bereits genannten Abhängigkeiten ist auch die Mikrostruktur der Massen wesentlich für die Wahrnehmung, insbesondere, wenn Massen nicht oder nur unvollständig unter physiologischen Bedingungen bei üblicher Verweilzeit im Mund aufschmelzen.
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In Patentanspruch 24 ist ein Produkt beschrieben, dass eine anwendungsspezifische geeignete Zusammensetzung und/oder die jeweilige Anordnung der Massen im Produktkörper und/oder die charakteristischen Abmessungen von Produktkörpern oder Produktkörperteilen und/oder die Produktformgebung und/oder die Detailformgebung der Oberfläche einen verzehrszeitabhängigen Intensitätsverlauf der Wahrnehmung von Zucker und/oder Salz und/oder Fett und/oder Aromen bewirkt.
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Besonders vorteilhaft erweist sich das Verfahren zur Herstellung von Produkten, in denen ein oder mehrere funktionelle Komponenten anisotrop verteilt sind, bevorzugt zwischen äußeren Schichten und dem Kern eines Produkts. Die Zerkleinerung des Produkts im Mund, vor allem aber ein kontrolliertes Abschmelzen oder Lösen (in Speichel oder in Verbindung konsumierter Getränke) sorgen dafür, dass funktionelle Komponenten in den unmittelbar zugänglichen oberflächlichen Bereichen zuerst freigesetzt werden. Die Dauer des jeweiligen Abschmelz- oder Lösungsvorgangs wird wesentlich über die Viskosität der die funktionelle Komponente/n enthaltenden Masse/n sowie deren Interaktion mit Speichel und/oder zusätzlich konsumierten Flüssigkeiten (zum Beispiel Getränke) gesteuert. Niedrige Viskositäten und verbesserte Löslichkeit sorgen dafür, dass eine funktionelle Komponente wesentlich intensiver, dafür aber auch in aller Regel über eine kürzere Zeitspanne wahrgenommen wird. Neben Viskosität und Löslichkeit im Speichel/Getränkefluid bestimmt auch die Struktur der Masse die Intensität und die Dauer einer Aroma-/Geschmacks-Komponenten Wahrnehmung. Beispielsweise werden im Falle einer emulsions- oder schaumbasierten Strukturierung deutlich unterschiedliche Freisetzungsraten der funktionellen Aroma-/Geschmacks-Komponente (in der Regel deutlich beschleunigt im Falle einer Emulsion) resultieren.
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Ferner können Wasser-in-Öl- (w/o) oder Öl-in-Wasser- (o/w) Phasenkonfigurationen mit funktionellen Komponenten verwendet werden, welche in der Wasser- oder Ölphase löslich sind und in ihrem Freisetzungsverhalten im Mundraum oder im GastroIntestinaltrakt beschleunigt (in kontinuierlicher Phase beinhaltet) oder verzögert (in disperser Phase beinhaltet) freigesetzt und damit wirksam werden. Darüber hinaus wird eine funktionelle Komponente in der wässrigen Phase, welche sich gegenüber einer Ölphase mit Speichel deutlich verbessert mischt, ebenfalls beschleunigt freigesetzt und wirksam werden.
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Aus Patentanspruch 25 ist ein Produkt zu entnehmen, bei welchem durch die geeignete Zusammensetzung der Massen aus denen der Produktkörper besteht, durch die physiologisch abgestimmte Anordnung der funktionalisierten Massen und/oder der charakteristischen Abmessung der durch diese Massen erzeugten Produktkörperteile und/oder deren Formgebung und/oder der die Freisetzung der funktionsbestimmenden Komponenten beeinflussenden Masseneigenschaften eine Reduzierung des Gesamtgehaltes an entsprechenden funktionalisierenden Komponenten bewirkt wird ohne dass deren physiologische Wirkung beeinträchtigt wird.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass Stoffe wie Zucker, Salz, Aromen oder sonstige funktionalisierende Komponenten im Produkt so platziert werden, dass sie zum Beispiel unter sensorischen Gesichtspunkten bestmöglich wahrgenommen werden. So kann es beispielsweise in bestimmten Produkten vorteilhaft sein, wesentliche Anteile des Zuckergehalts im Gesamtprodukt eher in den äußeren Produktschichten zu lokalisieren, teilweise auch direkt auf der Oberfläche in Form kleiner Tropfen, was zu einer sensorisch veränderten Wahrnehmung führt. Bei einer insgesamt verstärkten Wirkung einer funktionellen Komponente in der Wahrnehmung durch den Konsumenten kann die Konzentration der funktionellen Komponente soweit abgesenkt werden, dass seine ursprüngliche Wahrnehmung nicht verändert wird. Entweder können dadurch funktionelle Komponente (beispielsweise Aromen) eingespart werden oder die ernährungsphysiologische Qualität eines Produkts kann insgesamt verbessert werden. Neben der Anordnung der Stoffe im Produkt sowie der Anordnung und konkreten Ausformung von Produktteilen sind auch die Freisetzungseigenschaften der Massen mitentscheidend für die Wahrnehmung der Stoffe. So können beispielsweise bei kristallisierenden Massen funktionelle Komponenten in Räumen zwischen den Kristallen angeordnet sein, so dass diese in konzentrierterer Form auf die Geschmacksrezeptoren treffen.
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Insbesondere bei Schokoladen- oder Fettmassen (zum Beispiel Brotaufstriche) sind die Schmelzeigenschaften ein wichtiges Kriterium zur Ausprägung der Wahrnehmung, da insbesondere ein Vermischen der Schokoladen-/Fettmatrix mit Speichel zu einem Verdünnungseffekt führt, so dass die Wahrnehmung der funktionellen Komponenten reduziert wird, wenn der Schmelzvorgang länger dauert.
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Lösung der Aufgabe betreffend eine Steuerung oder Regelung
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Diese Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 26 durch eine Steuerung oder Regelung gelöst für eine Einrichtung zum flexiblen 3D-Druck-technischen Herstellen von bevorzugt nicht-symmetrischen Produktkörpern und/oder nicht-symmetrisch angeordneten Massen in diesen gedruckten Produktkörpern, aus mindestens zwei, teilweise bis vollständig gleichzeitig auf verschiedenen Produktlängenskalen zu verarbeitenden, bevorzugt verschiedenen, fließfähigen Massen, mittels diesen und den verschiedenen Produktlängenskalen angepassten, zugeordneten Druckvorrichtungen, mit einem oder mehreren mehrachsigen Robotern, mit mindestens einer Rechnereinheit, die die Druckvorrichtung nach in einem Speicher der betreffenden Rechnereinheit gespeicherten produktspezifischen Daten hinsichtlich der zu druckenden Produktkörperform oder Produktkörperteileform steuert oder regelt
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Die Abstimmung der erfindungsgemäßen teilweise bis vollständig synchron ablaufenden, komplexen Druckvorgänge für mehrere Massen mit mehreren Druckvorrichtungen, sowie die gleichzeitige diesen Druckvorgängen angepasste Einstellung der Druckmassenflüsse, bedürfen einer abgestimmten Regelung. Diese wird vorteilhaft mittels einer Rechnereinheit vorgenommen, welche neben der zeitlichen Ablaufregelung der einzelnen überlagerten Vorgänge auch Optimierungen auf Basis kognitiver Algorithmen (Al/Machine Learning) implementiert.
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Weitere erfinderische Ausgestaltungen
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Weitere erfinderische Ausgestaltungen einer Steuerung oder Regelung sind in den Patentansprüchen 27 bis 30 beschrieben.
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Gemäß Patentanspruch 27 ist eine Steuerung oder Regelung gemäß der Erfindung beschrieben zum flexiblen 3D-Druck-technischen Herstellen von bevorzugt nicht-symmetrischen Produktkörpern und/oder nicht-symmetrisch angeordneten Massen in diesen Produktkörpern, aus mindestens zwei, teilweise bis vollständig gleichzeitig auf verschiedenen Produktlängenskalen zu druckenden, bevorzugt verschiedenen fließfähigen Massen, mittels diesen und den verschiedenen Produktkörperlängenskalen angepassten, zugeordneten Druckvorrichtungen, wobei die einer Fertigungseinrichtung oder Fertigungseinrichtungen zugeordneten mindestens zwei Druckeinrichtungen mit einem oder mehreren mehrachsigen Robotern, mindestens eine Zentralrechnereinheit zugeordnet ist, die die Druckvorrichtungen und gekoppelten Robotikvorrichtungen nach in einem Datenspeicher der betreffenden Rechnereinheit gespeicherten Daten in ihren Bewegungsabläufen und Druckgeschwindigkeiten unter Berücksichtigung der Rheologie der zu druckenden Massen steuert bzw. regelt, wobei als zusätzliche Stellgröße für die Feineinstellung der rheologischen Masseneigenschaften die über die jeweilige Temperiereinheit vorgenommene Einstellung der Druckmassetemperaturen genutzt wird.
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Die Abstimmung der erfindungsgemäßen teilweise bis vollständig synchron ablaufenden komplexen Druckvorgänge für mehrere Massen mit mehreren Druckeinrichtungen, die gleichzeitige diesen Druckvorgängen angepasste Einstellung der Druckmassenflüsse, sowie die Feineinstellung der Druckmassen-Fließeigenschaften über eine Feinregelung der Druckkopftemperatur bedürfen einer weitergehend abgestimmten Regelung. Diese wird vorteilhaft mittels einer Rechnereinheit vorgenommen, welche neben der zeitlichen Ablaufregelung der einzelnen überlagerten Vorgänge auch Optimierungen auf Basis kognitiver Algorithmen (AI/Machine Learning) implementiert. Die Möglichkeit unmittelbar vor Passage der Druckdüse in einer Durchflusstemperiereinheit, welche unmittelbar vor oder im Druckkopf integriert angeordnet ist, eine Feinregulierung der Massetemperatur und damit der rheologischen Eigenschaften der Masse vornehmen zu können, ist von erheblichem Vorteil für die schnelle Regelung der Druckvorgänge.
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In Patentanspruch 28 ist eine Steuerung oder Regelung für eine Einrichtung beschrieben zum flexiblen 3D-Druck-technischen Herstellen von bevorzugt nicht-symmetrischen Produktkörpern und/oder nicht-symmetrisch angeordneten Massen in diesen Produktkörpern, aus mindestens zwei, teilweise bis vollständig gleichzeitig auf verschiedenen Produktlängenskalen zu druckenden, bevorzugt verschiedenen fließfähigen Massen, mittels diesen und den verschiedenen Produktkörperlängenskalen angepassten, zugeordneten Druckvorrichtungen, wobei die einer Fertigungseinrichtung oder Fertigungseinrichtungen zugeordneten mindestens zwei Druckvorrichtungen mit einem oder mehreren mehrachsigen Robotern, mindestens eine Rechnereinheit zugeordnet ist, die die Druckvorrichtungen und gekoppelten Robotikvorrichtungen nach in einem Datenspeicher der betreffenden Rechnereinheit gespeicherten Daten in ihren Bewegungsabläufen und Druckgeschwindigkeiten unter Berücksichtigung der Rheologie der zu druckenden Massen steuert bzw. regelt, wobei als zusätzliche Stellgröße für die Feineinstellung der rheologischen Masseneigenschaften die über die jeweilige Temperiereinheit vorgenommene Einstellung der Druckmassetemperaturen genutzt wird und darüber hinaus in dem betreffenden Datenspeicher der zugeordneten Rechnereinheit Rezepturen mit ihren Toleranzwerten für den jeweilig zu druckenden Produktkörper gespeichert sind.
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Eine in Patentanspruch 28 adressierte Steuerung oder Regelung lässt die Vorteilhaftigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens/der erfindungsgemäßen Vorrichtung hinsichtlich der Kombination mehrerer funktionalisierter Druckmassen zu einem Produkt am besten nutzen, wenn wie hier vorgesehen eine genau gesteuerte/geregelte Kontrolle der rezepturbasierten Formulierungen der einzelnen Massen erfolgt.
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Gemäß Patentanspruch 29 ist eine Steuerung- und Regelungseinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass jeder Druckvorrichtung eine Rechnereinheit mit Datenspeicher und der Fertigungseinrichtung bestehend aus einer oder mehreren Druckvorrichtungen mit jeweils zugeordneten Robotervorrichtungen, eine zentrale Rechnereinheit mit zentralem Datenspeicher zugeordnet sind, wobei letztere die betreffenden Rechnereinheiten der zugeordneten Druckvorrichtungen in freier Verkettung in einen übergeordneten Steuerungs- oder Regelungsalgorithmus einbeziehen, je nach den von den jeweiligen Druckvorrichtungen zu druckenden Produktkörpern oder Produktkörperteilen, deren Anforderungen an eine kompatibilisierte Zusammenfügung und der jeweiligen Verfügbarkeit einer oder mehrere Druckvorrichtungen.
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Hiermit wird die Vorteilhaftigkeit eines hierarchisch organisierten Steuerungs- und Regelungssystems für das reibungslose Zusammenspiel mehrerer Druckeinrichtungen in einer Fertigungseinrichtung im Sinne eines kompatiblen Produktteiledrucks für maßgeschneiderte Produkte realisiert.
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In Patentanspruch 30 ist eine Steuerung oder Regelung beschrieben, bei welcher eine zentrale Steuer- oder Regeleinheit mit einem zentralen Datenspeicher alle Druckvorrichtungen und diesen zugeordnete Robotikvorrichtungen für unterschiedliche Rezepturen und deren Toleranzwerte zum gleichzeitigen und/oder seriellen Druck unterschiedlicher Produktkörper oder Produktkörperteile steuert oder regelt, einschließlich etwaigen stetig oder intermittierend arbeitenden Fördereinrichtungen zur Unterstützung des Druckvorganges oder zum Abtransport gedruckter Produktkörper.
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Weitergehend vorteilhaft ist hier der Einbezug die Fertigungseinrichtung umgebender mit dieser interagierender Einrichtungen wie insbesondere der die im Druck befindlichen oder erstellten Produkte/Produktteile, entweder zur Unterstützung des Druckvorganges oder zum Abtransport, gezielt bewegenden Fördereinrichtungen, welche in der Steuerung oder Regelung der Fertigungseinrichtung mit berücksichtigt werden.
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Lösung der Aufgabe betreffend die Verwendung
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Die Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 31 unter anderem durch ein Schokoladen-Produkt, Zucker-Confectionery Produkt, Teigware, Gebäck/Backware, Brotaufstrich, Käse, Snack-Composite, Pflanzenproteinbasiertes Fleischanalog, Milchprodukt, Fettprodukt, Wurstware/ Pastete, Süßspeise oder Eiskrem erfüllt.
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Die wesentlichen Vorteile liegen in der maßgeschneiderten Funktionalisierbarkeit solcher Produkte hinsichtlich (a) der sensorischen Aroma-, Geschmacks- und Textureigenschaften und (b) der nutritiven Aspekte und der Gesundheitsaspekte unterstützenden und des gleichzeitigen Einsparungspotentials der die Funktionalisierung bewirkenden Stoffkomponenten in Folge der erfindungsgemäß möglichen physiologisch bevorzugten Platzierung und der auf Sensitivitätsschwellwerte abstimmbaren lokalen Konzentration dieser Stoffkomponenten.
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Patentanspruch 32 beschreibt eine Verwendung, bei welcher das Produkt als Hautpflegemittel, Creme, Badezusatz, Seife, Lippenstift oder Parfümträger verwendet wird.
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Vorteilhaft sind neuartige Produktformgebungen sowie der Einbau von verschiedenen Duftstoffen in verschiedene Teile/Zonen der genannten Kosmetikprodukte. Damit lassen sich ergonomische, ästhetische und sensorische Vorteile aus Verbrauchersicht erzielen.
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Patentanspruch 33 beschreibt eine Verwendung eins gedruckten Produkts, bei welcher der gedruckte Produktkörper als Tablette, Kapsel, als Suppositorium, als Prothese, als Korsett, als Verbindungselement zur Knochenheilung, als künstliche Hüftgelenkprothese, als Netz, bestehend aus metallischen und/oder nicht-metallischen Werkstoffen zum Zusammenhalten von Knochensplittern bei Trümmerbrüchen ausgebildet ist.
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Vorteile resultieren aus der Möglichkeit mehrere Massen mit spezifischen Funktionalitäten definiert in den Produkten, abgestimmt auf die zu erzielende Funktion, zu platzieren und vereinfacht in kurzer Produktionszeit herzustellen (zum Beispiel künstliches Gelenk; siehe Beschreibung zu Patentanspruch 18 unter Verwendung „künstlicher“ Werkstoffe, zum Beispiel faserverstärkte Polymere für Knochen Makro-Element und Teflonschicht als Gelenkpfannenauskleidung).
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In Patentanspruch 34 ist eine Verwendung dadurch gekennzeichnet, dass der Produktkörper als künstliches Gelenk, als Verbindungselement zum Bauen von Brücken, Häusern, insbesondere von Fertighäusern, Autoteilen oder Karosserien, ausgebildet ist.
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Bauteile für verschiedene Produkte und Einsatzbereiche können erfindungsgemäß vorteilhaft aus mehreren Funktionen gebenden Schichten hergestellt werden. Verbindungselemente zwischen zwei unterschiedlichen Werkstoffen lassen sich erfindungsgemäß vereinfacht durch die gleichzeitige, verbindende Druckfertigung zweier aus entsprechenden Werkstoffen bestehenden Schichten/Teilen mit einer Verbindungszwischenschicht erzeugen.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung - teils schematisch - teils an Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Es zeigen:
- 1 Eine Fertigungseinrichtung in Form eines Plans;
- 2 ein Modell eines synchronen multi-skalig 3D-gedruckten Schokoladen-Confectionery Snack-Produktes, und
- 3 schematisch einen (teil-)synchron multi-skalig 3D-gedruckten Produktkörper mit makro-, meso- und mikro-skaligen Produktteilen.
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In 1 stehen die Unterbezeichnungen „a“ für Komponenten zugehörig zu einer Druckvorrichtung 11a, welche Produktteile auf makroskopischer Längenskala druckt. Entsprechend steht die Unterbezeichnung „b“ für Komponenten zugehörig zu einer Druckvorrichtung 11b, die für meso-Produktteile auf mesoskopischer Längenskala druckt, während mit der Unterbezeichnung „c“ Komponenten zugehörig zu einer Druckvorrichtung 11c bezeichnet sind, die Produktteile auf mikroskopischer Längenskala druckt.
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Mit den Bezugszeichen 1a, 1b und 1c sind Druckköpfe bezeichnet, die jeweils einem gegebenenfalls mehrachsigen Roboter 2a, 2b bzw. 2c zugeordnet sind, deren motorische Antriebe und Energiezuleitungen aus Gründen der Vereinfachung nicht einzeln dargestellt sind. Dem jeweiligen Druckkopf 1a, 1b und 1c ist eine Dosiereinheit 3a, 3b bzw. 3c sowie jeweils eine Temperiereinheit 4a, 4b bzw. 4c zugeordnet. Die Leitungen 6a, 6b und 6c sind jeweils mit einem Materialtank 5a, 5b bzw. 5c materialleitend verbunden, über welche die einzelnen Materialströme gesteuert oder geregelt dem jeweiligen Druckkopf 1a, 1b bzw. 1c rezeptspezifisch gesteuert oder geregelt zuführbar sind.
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Die Bezugszeichen 10a, 10b und 10c bezeichnen jeweils Rechnereinheiten, die der jeweiligen Druckvorrichtung 11a, 11b und 11c zugeordnet sind. Den Rechnereinheiten 10a, 10b und 10c sind nicht näher bezeichnete programmierbare Datenspeicher zugeordnet, in denen Daten für die jeweiligen Rezepuren der zu druckenden Massen und der zu druckenden Produktkörper sowie zugeordneter Toleranzangaben und Algorithmen (inklusive Al-/Machine-Learning basierte) zur zeitlichen Ablaufregelung gespeichert sind. Die Rechnereinheiten 10a, 10b und 10c weisen jeweils eine Steuer- oder Regeleinheit 7a, 7b, 7c zum Dosieren der dem Druckkopf 1a bzw. 1b oder 1c und dessen Dosiereinheiten 3a, 3b und 3c zugeführten Materialien zum Drucken auf.
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Je eine Steuer- oder Regeleinheit 8a, 8b oder 8c dient zur Steuerung oder Regelung der jeweiligen Temperiereinheit 4a, 4b oder 4c.
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Außerdem ist mit 9a, 9b oder 9c eine Steuer- oder Regeleinheit zum Steuern oder Regeln der Bewegung der mehrachsigen Roboter 2a, 2b und 2c und dessen Druckkopf 1a, 1b bzw. 1c und gegebenenfalls anderer Teile bezeichnet.
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Die jeweilige Steuer- und Regeleinheit 7a, 7b bzw. 7c ist jeweils über eine Leitung 20a bzw. 20b oder 20c mit der zugeordneten Dosiereinheit 3a, 3b oder 3c signalleitend verbunden, während die Steuer- und Regeleinheit 8a, 8b bzw. 8c für die Temperaturkontrolle über jeweils eine Leitung 21a, 21b bzw. 21c mit der Temperiereinheit 4a, 4b oder 4c verbunden ist.
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Die Steuer- oder Regeleinheit 9a, 9b bzw. 9c ist für die Steuerung der Bewegungen des Roboters 2a, 2b bzw. 2c jeweils über eine Leitung 22a, 22b bzw. 22c mit dem betreffenden Roboter 2a, 2b oder 2c datenleitend verbunden.
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Bei der dargestellten Ausführungsform kann der betreffende Druckkopf 1a, 1b bzw. 1c je nach Ausführung einen Sprühstrahl 15 auf ein Substrat oder auf eine geeignete Unterlage 19 sprühen oder ein Strangstück 14 auf das Substrat oder die Unterlage 19 austragen oder das zu druckende Material als Tropfen 13 drucken und auf das Substrat oder die Unterlage 19 aufbringen. Anstatt eines Substrats 19 kann hier auch eine geeignete Fördervorrichtung 23 angeordnet sein, die aus der Druckvorrichtung 11a, 11b oder 11c mit dem Druckkopf 1a, 1b bzw. 1c Produktkörper oder Produktkörperteile in den Einzugsbereich einer weiteren Druckvorrichtung, zum Beispiel 11b oder 11c, mit einem anderen Roboter, zum Beispiel 2b oder 2c, transportiert, welcher die von der Druckvorrichtung 11a ge- bzw. bedruckten Produktkörperteile mit anderen Produktkörperteilen zu einem fertigen Produktkörper drucken und damit verbinden. Im erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsfall überlappen die Arbeitsbereiche der Druckvorrichtungen 11a, 11b bzw. 11c räumlich einander, um die teilweisen bis vollständig synchronen Druckvorgänge auf den verschiedenen Längenskalen zu realisieren. Die Fördervorrichtung 23 ergänzt in diesem Falle programmgesteuert die Bewegungsabläufe der Roboter 2a, 2b oder 2c, um deren Verfahrwege zu minimieren oder zu optimieren.
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1 zeigt ferner eine zentrale Steuer- oder Regeleinheit 10d für eine aus mehreren Druckvorrichtungen 11a, 11b und 11c bestehende Fertigungseinrichtung 12, in der in einem zentralen Datenspeicher rezepturspezifische Daten sowie Algorithmen (inklusive Al-/Machine-Learning basierte) zur zeitlichen Ablaufregelung für die zu druckenden Produktkörperteile oder Produktkörper im Zusammenspiel der verschiedenen Druckvorrichtungen 11a, 11b und 11c programmierbar gespeichert sind, wobei die Druckvorrichtungen 11a, 11b und 11c wiederum aus den jeweiligen Druckköpfen 1a, 1b und 1c, den Dosiereinheiten 3a, 3b bzw. 3c, den Temperiereinheiten 4a, 4b und 4c und den jeweils zugeordneten Robotern 2a, 2b und 2c bestehen.
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Die zentrale Steuer- und Regelungseinrichtung 10d ist über Leitungen 24, 25, 26- wie in 1 beispielsweise dargestellt - mit den drei Rechnereinheiten 10a, 10b bzw. 10d für die drei Druckvorrichtungen 11a, 11b und 11c datenleitend verbunden. Die Verbindung kann auch drahtlos erfolgen.
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Die Rechnereinheiten 10a, 10b und 10c sind jeweils einem mehrachsigen Roboter 2a, 2b bzw. 2c zugeordnet.
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Der Druckvorrichtung 11a ist ein Roboter 2a mit Druckkopf 1a, eine Dosiereinheit 3a und eine Temperiereinheit 4a zugeordnet, womit relativ groß gedruckte Produktkörper 16 erzeugt werden, während der Druckvorrichtung 11b ein Roboter 2b mit Druckkopf 1b, eine Dosiereinheit 3b und eine Temperiereinheit 4b zugeordnet ist. Die Druckvorrichtung 1b druckt Produktkörper 17 von mittlerer Größe. Die Druckvorrichtung 11c mit Roboter 2c, Druckkopf 1c, Dosiervorrichtung 3c und Temperiereinheit 4c druckt schließlich kleine Produktkörper 18, die zum Beispiel auf einen Produktkörper 17 aufgebracht werden, welcher wiederum auf einem größeren, durch den Druckkopf 1a gedruckte Produktkörper 16 aufgedruckt wird.
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Die Fördervorrichtung 23 ist in Richtung X oder Y motorisch, zum Beispiel durch einen regel- oder steuerbaren Elektromotor, angetrieben. Der Antrieb kann kontinuierlich oder intermittierend erfolgen, gesteuert durch die zentrale Steuer- oder Regeleinrichtung 10d in programmierbarer Abstimmung mit den beteiligten, gegebenenfalls mehrachsigen, zum Beispiel sechsachsigen, Robotern 2a, 2b oder 2c.
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Parallel und/oder hintereinander können auch mehrere Fertigungseinrichtungen 12 angeordnet und über die zentrale Steuer- oder Regeleinrichtung 10d gesteuert bzw. geregelt werden, so dass parallel und/oder seriell unterschiedliche Produktkörper oder Produktkörperteile zeitgleich oder zeitversetzt gedruckt werden können.
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Eine Fertigungseinrichtung im Anwendungsbereich Schokoladen-Confectionery-Technologie mit zugeordneten drei Druckvorrichtungen 11a, 11b und 11c (wie zum Beispiel in 1 dargestellt) können für den teilweise bis vollständig gleichzeitigen Druck von Produktteilen auf Makro- (cm), Meso- (mm) und Mikrolängenskala (≤ 100 Mikrometer) ein zum Beispiel makroskopisches 3D-Makro-Gehäuseprofil eines Schokoladenriegels mit unterschiedlichen 3D-Kavitäten erzeugen, meso-skalige Füllkörper in Teile dieser Kavitäten eindrucken und mikro-skalige Aromakapsel-Tropfen in andere Kavitäten oder Teile der Produktoberfläche ein- bzw. aufdrucken (siehe zum Beispiel 2).
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Aus 2 ist ein relativ kompliziert aufgebauter Produktkörper mit dem Bezugszeichen 27 schematisch dargestellt, der eine etwa an Brokkoli oder Blumenkohl erinnernde Gestaltung aufweist und der beispielsweise aus zwei verschiedenen Makro-Produktkörperteilen 16a und 16b, acht Meso-Produktkörperteilen 17 sowie zahlreichen Mikro-Produktkörperteilen 18 besteht, welche in der dargestellten Art und Weise zu dem gemeinsamen Produktkörper 27 materialbezogen einstückig miteinander verbunden sind.
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In 3 sind die verschiedenen makro-, meso- und mikroskaligen Druckkörperteile wie bereits in 1 mit den Bezugszeichen 16a (makro-), 17 (meso-) und 18 (mikro-) versehen.
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Auf die erfindungsgemäße Art und Weise lassen sich neben funktionalisierten Lebensmittel- und Kosmetikprodukten auch Karosserieteile für den Automobilbau, zum Beispiel Schweller, Stoßstangen, Holme mit Verstärkungsrippen und stoßdämpfenden Teilbereichen, drucken, insbesondere aus Komposit-Baustoffen. Derartige Produktkörper werden durch Kleben mit der Karosserie verbunden, so dass sich gewichtsparende, multifunktionelle Konstruktionen in Leichtbauweise herstellen lassen, die den heutigen Bestrebungen zur Einsparung von Antriebsenergie und Umweltschonung entgegenkommen.
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Die in den Patentansprüchen und in der Beschreibung beschriebenen sowie aus der Zeichnung ersichtlichen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1a
- Druckkopf
- 1b
- "
- 1c
- "
- 2a
- Roboter, Robotikvorrichtung
- 2a
- " , "
- 2c
- " , "
- 3a
- Dosiereinheit
- 3b
- "
- 3c
- "
- 4a
- Temperiereinheit
- 4b
- "
- 4c
- "
- 5a
- Materialtank
- 5b
- "
- 5c
- "
- 6a
- Leitung
- 6b
- "
- 6c
- "
- 7a
- Steuer- oder Regeleinheit
- 7b
- „ “ "
- 7c
- „ “ "
- 8a
- „ “ "
- 8b
- „ “ "
- 8c
- „ “ "
- 9a
- „ “ "
- 9b
- „ “ "
- 9c
- „ “ "
- 10a
- Rechnereinheit
- 10b
- "
- 10c
- "
- 10d
- Steuer- und Rechnereinheit, zentrale
- 11a
- Druckvorrichtung
- 11b
- "
- 11c
- "
- 12
- Fertigungseinrichtung
- 13
- Tropfen
- 14
- Strangstück
- 15
- Sprühstrahl
- 16a
- Produktkörper
- 16a
- Produktkörper (Makro)
- 16b
- Produktkörper (Makro)
- 17
- Produktkörper (Meso)
- 18
- Produktkörper (Mikro)
- 19
- Substrat oder Unterlage
- 20a
- Leitung
- 20b
- "
- 20c
- "
- 21a
- "
- 21b
- "
- 21c
- "
- 22a
- "
- 22b
- "
- 22c
- "
- 23
- Fördervorrichtung
- 24
- Leitung
- 25
- "
- 26
- "
- 27
- Produktkörper (multiskalig)
- a
- Komponenten der Makro-skaligen Druckvorrichtung
- b
- Komponenten der Meso-skaligen Druckvorrichtung
- c
- Komponenten der Mikro-skaligen Druckvorrichtung
- d
- Komponenten und Gesamteinheit der (übergeordneten) Fertigungseinrichtungs-Steuerung oder -Regelung
- X Y
- Bewegungsrichtung von 23 „ “ "
