DE102020215053A1

DE102020215053A1 - Device and method for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece

Info

Publication number: DE102020215053A1
Application number: DE102020215053.2A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Jahnle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks (10) aus einem flüssigförmigen Substrat (11), wobei die Vorrichtung (1) eine Baukammer (2), zumindest einen Druckkopf (3) ) mit einer Drucköffnung (31) zum Austragen des Substrats (11), eine Aufnahmevorrichtung (4) zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks (10) und eine Verstellvorrichtung (5) umfasst, wobei die Verstellvorrichtung (5) ein x-y-Achssystem (15) mit einer Druckkopfaufnahme (25) und ein unterhalb der Aufnahmevorrichtung (4) angeordnetes z-Achssystem (35) umfasst.Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Baukammer (2) während eines Fertigungsprozesses mit einem flüssigförmigen Fluid (51) befüllt ist, wobei der Druckkopf (3) oberhalb und eine Aufnahmefläche (41) der Aufnahmevorrichtung (4) stets unterhalb eines Oberflächenpegels (52) des flüssigförmigen Fluides (51) angeordnet ist und die Drucköffnung (31) zum Austragen des Substrats (11) in das flüssigförmige Fluid hinein ragt.Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks (10) mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks (10).The invention relates to a device (1) for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece (10) from a liquid substrate (11), the device (1) having a construction chamber (2), at least one print head (3) with a pressure opening (31) for discharging the substrate (11), a receiving device (4) for receiving the three-dimensional workpiece (10) and an adjusting device (5), the adjusting device (5) having an x-y axis system (15) with a print head mount (25) and a z-axis system (35) arranged below the receiving device (4). It is characterized in that the construction chamber (2) is filled with a liquid fluid (51) during a manufacturing process, with the print head (3) above and a receiving surface (41) of the receiving device (4) is always arranged below a surface level (52) of the liquid fluid (51) and the pressure opening (31) for discharging the substrate (11) into the liquid fluid The invention also relates to a method for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece (10) with a device (1) according to the invention for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils gemäß Anspruch 7.The present invention relates to a device for the additive manufacturing of a three-dimensional component with the features of the preamble of claim 1. The invention also relates to a method for the additive manufacturing of a three-dimensional component according to claim 7.

Stand der TechnikState of the art

Bei der additiven Fertigung bzw. beim 3D-Drucken werden flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut. Beispielsweise können thermoplastische Werkstoffe, insbesondere thermoplastische Kunststoffe, eingesetzt werden, die durch Erhitzen zunächst verflüssigt werden. Der flüssige Werkstoff wird dann selektiv auf Stellen aufgebracht, an denen das Werkstück entstehen soll. Mit dem Abkühlen verfestigt sich der Werkstoff wieder.In additive manufacturing or 3D printing, liquid or solid materials are built up in layers to form a three-dimensional workpiece. For example, thermoplastic materials, in particular thermoplastics, can be used, which are first liquefied by heating. The liquid material is then selectively applied to areas where the workpiece is to be created. The material solidifies again as it cools.

Eine solche Vorrichtung umfasst einen Druckkopf, in dem das Ausgangsmaterial druckfertig aufbereitet wird. Weiterhin sind Achssysteme zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, bekannt. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.Such a device includes a print head in which the starting material is prepared for printing. Furthermore, axis systems for generating a relative movement between the print head and the work surface on which the object is to be created are known. Either only the print head, only the work surface or both the print head and the work surface can be moved.

Einige thermoplastische Werkstoffe neigen dazu, beim Abkühlen zu schwinden. Das Schwinden führt zu abweichenden Abmessungen des fertigen Werkstücks. Um dem entgegenzuwirken, sind sogenannte 3D-Drucker mit beheizbaren Baukammern bekannt, so dass eine möglichst konstante Temperierung der Baukammer während des Druckvorgangs möglich ist. Dabei gibt es Elemente, die beispielsweise in die Baukammer ragen können und dadurch das Temperaturgefüge verändern. Insbesondere wenn diese Elemente nicht temperiert sind, können Kältebrücken entstehen, wodurch eine ungleichmäßige Temperierung der Baukammer resultiert und es zu einem thermischen Verzug in dem zu fertigenden Werkstück, bzw. des Bauteils führen kann. Ein fehlerfreier Aufbau des herzustellenden Werkstücks, bzw. Bauteils, ist somit durch den entstandenen thermischen Verzug nicht möglich.Some thermoplastic materials tend to shrink when cooled. The shrinkage leads to deviating dimensions of the finished workpiece. In order to counteract this, so-called 3D printers with heatable construction chambers are known, so that the temperature of the construction chamber can be kept as constant as possible during the printing process. There are elements that can protrude into the build chamber, for example, and thereby change the temperature structure. In particular, if these elements are not temperature-controlled, thermal bridges can arise, which results in uneven temperature control of the build chamber and can lead to thermal distortion in the workpiece or component to be produced. An error-free construction of the workpiece or component to be manufactured is therefore not possible due to the thermal distortion that has occurred.

Da Luft ein schlechter Wärmeleiter ist und eine sehr niedrige Wärmekapazität aufweist, entstehen hohe Heizkosten und es erfordert eine aufwändige Isolation der Baukammer, um einen Kälteeintrag zu verhindern und eine homogene Temperaturführung zu gewährleisten.Since air is a poor conductor of heat and has a very low heat capacity, heating costs are high and complex insulation of the build chamber is required to prevent cold entry and to ensure homogeneous temperature control.

Es ist auch bekannt hoch isolierte Baukammern mit einer Umluft Heizung, beispielsweise unterstützt durch eine Stickstoffatmosphäre einzusetzen. Diese Stickstoffatmosphäre, soll eine Korrosion des Baumaterials verhindern. Weiter ist bekannt Infrarotstrahlung oder andere Heizmedien zu verwenden. Die Homogenisierung der Luft erfolgt dabei meist durch ein Umluftgebläse. Dennoch ist dadurch selten eine komplett homogene Temperierung in der Baukammer erreichbar. Beispielsweise, weil die Druckköpfe in die Baukammer hineinragen und dadurch die Isolation zwischen den sich bewegenden Achsen und der stehenden Baukammer sehr komplex wird.It is also known to use highly insulated construction chambers with circulating air heating, for example supported by a nitrogen atmosphere. This nitrogen atmosphere is intended to prevent corrosion of the building material. It is also known to use infrared radiation or other heating media. The air is usually homogenized by a circulating air fan. Nevertheless, a completely homogeneous temperature control in the build chamber can rarely be achieved as a result. For example, because the print heads protrude into the build chamber, making the isolation between the moving axes and the stationary build chamber very complex.

Mit den bekannten Lösungen ist es zwar möglich die Baukammerumgebung so zu temperieren, dass nur ein minimaler Bauteilverzug stattfindet, es ist jedoch nicht möglich, dabei ausreichend Energie abzuführen, um auch hohe Druckgeschwindigkeiten zu erreichen. Ferner muss dabei immer ein Kompromiss zwischen der Abkühlrate der frisch aufgebrachten Schicht und der Temperatur der gerade extrudierten Masse eingegangen werden. Dabei stellt sich heraus, dass die abgeführte Energie häufig nicht ausreicht, dass sich das Substrat sauber auf die Untergrundmaterialien, bzw. Schichten ablegen kann. Daher ist es unter Umständen erforderlich, dass gegen die erzielten Bemühungen zur Erreichung der Temperaturhomogenität zusätzlich noch eine Kühleinrichtung angebracht werden muss, welche beispielsweise direkt auf das abgelegte Substrat bläst. Dadurch wird die Temperatur der Extrudierten Masse stark angehoben oder der Bauraum wird sehr heiß. Ferner ist es von Nachteil, dass die erforderliche Kühleinrichtung die homogene Luft verwirbelt und sich dadurch zwangsweise Turbulenzen bilden. Häufig resultiert dadurch auch ein ungeregeltes Temperieren der ausgebrachten Schicht.Although it is possible with the known solutions to temper the build chamber environment in such a way that only minimal component distortion occurs, it is not possible, however, to dissipate sufficient energy to also achieve high printing speeds. Furthermore, a compromise must always be made between the cooling rate of the freshly applied layer and the temperature of the mass just extruded. It turns out that the dissipated energy is often not sufficient for the substrate to be able to lay down cleanly on the underlying materials or layers. It may therefore be necessary, in some circumstances, to counteract the efforts made to achieve temperature homogeneity by additionally attaching a cooling device which, for example, blows air directly onto the deposited substrate. As a result, the temperature of the extruded mass is greatly increased or the installation space becomes very hot. Furthermore, it is disadvantageous that the required cooling device swirls the homogeneous air and this inevitably causes turbulence to form. This often results in an unregulated temperature control of the applied layer.

Ferner ist das Kühlen mit Kaltluft bekannt. Diese ist prozesstechnisch schwierig zu führen und wird daher in der Regel eher zu kalt eingestellt, was wiederum zur Indizierung von Spannungen führen kann. Beispielsweise dadurch, dass kalte Luft das Material schnell abkühlen lässt, wodurch sich feine Kristalle bilden, diese durch die nächsten Druckschichten wieder aufschmelzen und dabei langsam zu großen Kristallen abkühlen. Dadurch entstehen unterschiedliche Schwindungen, abhängig von der Geometrie und der Baugeschwindigkeit. Zudem ist auch nachteilig, dass eine verminderte Haftung der Schichten entstehen kann, wenn die extrudierte Masse die ausgebrachte untere Schicht nicht ausreichend aufschmelzen kann.Furthermore, cooling with cold air is known. This is difficult to carry out in terms of process technology and is therefore usually set too cold, which in turn can lead to the indication of stresses. For example, the fact that cold air allows the material to cool down quickly, which causes fine crystals to form, which then melt again through the next layers of printing and slowly cool down to form large crystals. This results in different shrinkages, depending on the geometry and the construction speed. In addition, it is also disadvantageous that reduced adhesion of the layers can occur if the extruded mass cannot sufficiently melt the lower layer that has been discharged.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, die die additive Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem thermoplastischen Werkstoff effizienter und präziser macht.The object of the invention is to provide a device that makes the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece made of a thermoplastic material more efficient and precise.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks gemäß Anspruch 7 erfüllt.The object is achieved by the device according to the invention for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece with the features of claim 1 and the method according to the invention for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece according to claim 7 .

Die vorgeschlagene Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigförmigen Substrat umfasst eine Baukammer, zumindest einen Druckkopf mit einer Drucköffnung zum Austragen des Substrats, eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks und eine Verstellvorrichtung, wobei die Verstellvorrichtung ein x-y-Achssystem mit einer Druckkopfaufnahme und ein unterhalb der Aufnahmevorrichtung angeordnetes z-Achssystem umfasst.
Erfindungsgemäß ist die Baukammer während eines Fertigungsprozesses mit einem flüssigförmigen Fluid befüllt, wobei der Druckkopf oberhalb und eine Aufnahmefläche der Aufnahmevorrichtung stets unterhalb eines Oberflächenpegels des flüssigförmigen Fluides angeordnet ist und die Drucköffnung zum Austragen des Substrats in das flüssigförmige Fluid hinein ragt.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks ist auch als 3D-Drucker, bzw. Drucker bekannt.The proposed device for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece from a liquid substrate comprises a build chamber, at least one print head with a pressure opening for dispensing the substrate, a receiving device for receiving the three-dimensional workpiece and an adjustment device, the adjustment device having an xy-axis system with a print head holder and a z-axis system arranged below the receiving device.
According to the invention, the construction chamber is filled with a liquid fluid during a manufacturing process, with the print head being arranged above and a receiving surface of the receiving device always below a surface level of the liquid fluid and the pressure opening for discharging the substrate protruding into the liquid fluid.
The device for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece is also known as a 3D printer or printer.

Durch das Drucken in einem flüssigförmigen Fluid, bzw. einer Flüssigkeit oder einer Masse welche sich fluidähnlich verhält, kann in vorteilhafter Weise mit einem viel höheren Wärmeübergangskoeffizienten gearbeitet werden. Zudem unterstützt die hohe Wärmeleitung, bzw. die hohe Wärmeleitfähigkeit ein Erreichen einer Temperaturhomogenität. Gleichzeitig kann in der Flüssigkeit in vorteilhafter Weise eine homogenere Temperatur durch Umwälzung hergestellt werden.By printing in a liquid fluid, or a liquid or a mass which behaves like a fluid, it is possible to work advantageously with a much higher heat transfer coefficient. In addition, the high heat conduction or the high thermal conductivity supports the achievement of temperature homogeneity. At the same time, a more homogeneous temperature can advantageously be produced in the liquid by circulation.

Vor diesem Hintergrund kann die Temperatur der Flüssigkeit in vorteilhafter Weise niedriger liegen als zum Beispiel die der im Stand der Technik bekannten Temperaturen einer Luftheizung. Bei Luft muss mit einer deutlich höheren Temperatur (als der Temperatur welche am Bauteil erzielt werden soll) gearbeitet werden. Dies ist erforderlich, um in einer vertretbaren Zeit, die Zieltemperatur im Bauteil zu erreichen. Jedoch führt das im Stand der Technik häufig dazu, dass sich Hotspots bilden oder, dass aufgrund von Prozesseinflüssen Bauteile länger in der Baukammer verbleiben und dabei überhitzen. Eine Überhitzung kann zu Schädigung des Materials und dadurch zu Verlust der Geometrie führen. Zudem erhöht dies die Alterung des Bauteilmaterials.Against this background, the temperature of the liquid can advantageously be lower than, for example, the temperatures of an air heater known in the prior art. With air, you have to work at a significantly higher temperature (than the temperature that is to be achieved on the component). This is necessary in order to reach the target temperature in the component within a reasonable time. However, in the prior art, this often results in hotspots forming or in components remaining longer in the build chamber due to process influences and overheating in the process. Overheating can damage the material and result in a loss of geometry. In addition, this increases the aging of the component material.

Die Erfindung sorgt in vorteilhafter Weise dazu, dass die Temperatur des flüssigförmigen Fluides nur wenige Kelvin über der optimalen Temperatur für den Prozess liegen muss, um sicherzustellen, dass die erforderliche Temperatur an jedem Punkt des Bauteils anliegt. Dadurch wird erreicht, dass sich bei der Fertigung jeder weiteren erzeugten Schicht, sich diese jeweils sehr schnell auf die Temperatur der Flüssigkeit abkühlt. Die Schicht bleibt dabei aber in vorteilhafter Weise oberhalb der Temperatur, welche zu Spannungen, Haftungsminderung und übermäßigen Verzug im Bauteil führen würde. Die Zieltemperatur entspricht in der Regel ungefähr dem des Tg-Punkts des Materials. Tg steht für dabei für den Transformationsbereich, bzw. die Glasübergangstemperatur von Glas und Kunststoffen.The invention advantageously ensures that the temperature of the liquid form only has to be a few Kelvin above the optimum temperature for the process in order to ensure that the required temperature is present at every point of the component. This ensures that during the production of each additional layer produced, it cools down very quickly to the temperature of the liquid. However, the layer advantageously remains above the temperature which would lead to stresses, reduced adhesion and excessive distortion in the component. The target temperature is usually close to that of the material's Tg point. Tg stands for the transformation range or the glass transition temperature of glass and plastics.

Der wesentliche Kern der Erfindung ist, dass Erreichen eines schnellstmöglichen Abkühlens des ausgebrachten Substrats, bzw. des Kunststoffes auf eine optimal einstellbare Temperatur. Dies wird in vorteilhafter Weise durch die hohe Konvektion ermöglicht, aufgrund der hohen Wärmekapazität und Wärmeleitung des umgebenden Materials.
In vorteilhafter Weise fällt die Isolation der Baukammer deutlich einfacher aus. Durch die erfindungsgemäße Umsetzung sind kalte Nester nahezu
ausgeschlossen genauso wie eine Überhitzung. Die Isolation zu dem einen oder den sich bewegenden Druckköpfen kann deutlich einfacher gestaltet werden, da eine Abstrahlung der Wärmeenergie aus dem flüssigförmigen Fluid im Verhältnis zur Wärmeenergie des Substrats nicht so kritisch ist. dies ermöglicht beispielsweise auch Mehrachssysteme mit mehreren Druckköpfen.The essential core of the invention is that the fastest possible cooling of the discharged substrate or the plastic is achieved to an optimally adjustable temperature. This is made possible in an advantageous manner by the high level of convection due to the high heat capacity and heat conduction of the surrounding material.
In an advantageous manner, the insulation of the build chamber is significantly simpler. Through the implementation of the invention, cold nests are almost
ruled out as well as overheating. The isolation from one or the moving printheads can be made much simpler, since radiation of the thermal energy from the liquid form fluid is not as critical in relation to the thermal energy of the substrate. this also enables, for example, multi-axis systems with several print heads.

Ein weiterer Vorteil ist, dass auf eine zusätzliche Kühlung des Substrates verzichtet werden kann, wodurch grundsätzlich erst eine homogene Temperaturführung ermöglicht wird. Durch die hohe Wärmekapazität des Fluides ist ein Dauerbetrieb, auch aus Sicht der Energiebilanz, deutlich effizienter.A further advantage is that there is no need for additional cooling of the substrate, which basically makes homogeneous temperature control possible in the first place. Due to the high thermal capacity of the fluid, continuous operation is significantly more efficient, also from the point of view of the energy balance.

Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit eines Wiedereinstiegs in eine neue Fertigung eines neuen Bauteils, nachdem das alte Bauteil aus dem Drucker entnommen wurde. Dieser Wiedereinstieg ist durch die Erfindung deutlich schneller zu realisieren, da die Baukammer nicht erst wieder, wie bei einer Luftheizung, homogenisiert werden muss, da nach einem Bauteilwechsel die Luft mit Kaltluft kontaminiert wurde. Zudem kann das flüssigförmige Fluid aufbereitet und wiederverwendet werden und zum Beispiel in einem Kreislauf zirkulieren.The possibility of resuming production of a new component after the old component has been removed from the printer is particularly advantageous. This re-entry can be realized much more quickly thanks to the invention, since the construction chamber does not first have to be homogenized again, as is the case with air heating, since the air was contaminated with cold air after a component change. In addition, the liquid fluid can be processed and reused and circulate in a circuit, for example.

Das Drucken von Überhängen wird durch die tragende Struktur der Flüssigkeit unterstützt. Somit ist es möglich Geometrien herzustellen, die weiter auskragen als in einer luftgefüllten Baukammer. Dadurch wird die Notwendigkeit von Supportmaterial und unterstützenden Strukturen verringert, oder macht dieses gänzlich überflüssig.Overhang printing is aided by the supporting structure of the liquid. It is thus possible to produce geometries that project further than in an air-filled construction chamber. This eliminates the need for support material and supporting structures is reduced or eliminated entirely.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass der Druckprozess jederzeit sofort an beliebiger Stelle weitergeführt werden kann, da die unterliegende Schicht zwangsweise eine optimale Drucktemperatur aufweist. Ferner ergibt sich eine Verringerung von Fädenbildung bei Bauteilen bzw. ein ungewollter Austrag von Material wird durch Erhöhung eines Gegendruckes als auch durch die schnellere Abkühlung vermieden. Zudem kann die Bahnplanung deutlich vereinfacht werden, da nicht auf Massenanhäufungen geachtet werden muss und sich damit Leerfahrten des Druckkopfes deutlich reduzieren.Another advantage results from the fact that the printing process can be continued at any time and at any point, since the underlying layer is forced to have an optimal printing temperature. Furthermore, there is a reduction in the formation of threads in components or an unwanted discharge of material is avoided by increasing a counter-pressure and by the more rapid cooling. In addition, web planning can be significantly simplified, since there is no need to pay attention to mass accumulations, which significantly reduces empty runs of the print head.

Die Nachteile der bekannten Lösungen, wie beispielsweise dem begrenzenden Faktor der Geschwindigkeit bei der Auskühlung des aufgebrachten Kunststoffsubstrates bzw. das sich ergebende Gleichgewicht zwischen der Temperatur (Wärmeenergie) der aufgebrachten Schicht und der Temperatur (Wärmeenergie) der extrudierten Masse werden durch die Erfindung ausgeräumt. Dieser Faktor ändert sich beim Stand der Technik aufgrund der Geometrie und der damit verbundenen Masseanhäufung, wodurch Schwankungen im Prozess entstehen, welche sich nachteilig auf die Bauteilqualität auswirken. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der umgebenden Flüssigkeit, kühlt das Substrat in vorteilhafter Weise nahezu gleich schnell ab, als gebe es die geometrisch begründete Masseanhäufung nicht. Das verringert deutlich die Schwankungen im Prozess und erhöht dadurch nachhaltig die Bauteilqualität.The disadvantages of the known solutions, such as the limiting factor of the speed when cooling the applied plastic substrate or the resulting balance between the temperature (thermal energy) of the applied layer and the temperature (thermal energy) of the extruded mass, are eliminated by the invention. In the prior art, this factor changes due to the geometry and the associated accumulation of mass, which results in fluctuations in the process, which have a negative effect on the component quality. Due to the high thermal conductivity and heat capacity of the surrounding liquid, the substrate advantageously cools down almost as quickly as if the geometrically based accumulation of mass did not exist. This significantly reduces the fluctuations in the process and thus sustainably increases the component quality.

Auch wird eine Korrosion an Sauerstoff, je nach umgegebener Flüssigkeit, vermieden. Durch das schnelle Abkühlen auf die optimale Temperatur wird ebenfalls vermieden, dass sich Fäden durch das Substrat bilden. Diese entstehen besonders bei PA oder anderen Materialen, die lange zäh-elastisch bleiben und gleichzeitig eine hohe Haftung an einer Düse des Druckkopfs bzw. am ausgetragenen Substrat besitzen. Wird die Düse ohne Austrag bei diesen Materialien versetzt, zieht der Druckkopf vom Startpunkt bis zum Zielpunkt einen Faden. Dies geschieht in vorteilhafter Weise in einer Flüssigkeit nicht. Durch die schnellere Abkühlung des Materials, wird das zäh-elastische Verhalten reduziert. Gleichzeitig sorgt ein höherer Gegendruck (im Vergleich zu einer Luftatmosphäre) dafür, dass weniger Material aus der Düse nachlaufen kann. Aufgrund dessen kann in der Regel auf eine aktive Dekompression des Materials oder auf ein Verschließen der Düse verzichtet werden, was in vorteilhafter Weise die Anlagenkosten verringert und die Prozessstabilität erhöht, da zum Beispiel die Dekompression ein Eingriff in die homogene Austragsmenge bedeutet.Corrosion from oxygen, depending on the surrounding liquid, is also avoided. Fast cooling to the optimum temperature also avoids threads forming through the substrate. These occur particularly with PA or other materials that remain tough-elastic for a long time and at the same time have high adhesion to a nozzle of the print head or to the discharged substrate. If the nozzle is moved without discharge with these materials, the print head draws a thread from the starting point to the target point. Advantageously, this does not happen in a liquid. Due to the faster cooling of the material, the tough-elastic behavior is reduced. At the same time, a higher back pressure (compared to an air atmosphere) ensures that less material can flow out of the nozzle. As a result, active decompression of the material or closing of the nozzle can generally be dispensed with, which advantageously reduces system costs and increases process stability, since, for example, decompression means intervention in the homogeneous discharge quantity.

Durch die erfindungsgemäße Umsetzung der Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks und der dadurch resultierenden Steigerung der Wärmeleitung bzw. Haltung des Mediums in das Bauteil, können in vorteilhafter Weise deutlich mehr Materialien gedruckt werden, welche sonst kein entsprechendes Prozessfenster aufweisen würden, wie beispielsweise PA6.6, PPA, PES, usw...Due to the inventive implementation of the device for additive manufacturing of a three-dimensional workpiece and the resulting increase in heat conduction or retention of the medium in the component, significantly more materials can be printed in an advantageous manner, which would otherwise have no corresponding process window, such as PA6. 6, PPA, PES, etc...

Das flüssigförmige Fluid zeigt die effektivsten Eigenschaften, beispielsweise bzgl. der sehr hohen Wärmekapazität und Wärmeleitung, wenn als flüssigförmiges Fluid niederschmelzende Metalle und ihre Legierungen zum Einsatz kommen.The liquid-form fluid shows the most effective properties, for example with regard to the very high heat capacity and heat conduction, when low-melting metals and their alloys are used as the liquid-form fluid.

Durch die Verwendung von entsprechenden flüssigen Materialien wie zum Beispiel Loten, ist es möglich die Aufbaurate in vorteilhafter Weise deutlich zu erhöhen. Darüber hinaus erhöht sich die Genauigkeit durch die Verringerung des Verzuges, ohne die normal erwartbare Verringerung der Haftung zwischen den Schichten.Through the use of appropriate liquid materials such as solders, it is possible to significantly increase the build-up rate in an advantageous manner. In addition, accuracy is increased by reducing warpage without the normally expected reduction in interlayer adhesion.

Als besonders vorteilhaft haben sich folgende Fluide erwiesen:

• Indium-Bismut-Eutektikum: 66,71n 33,3Bi Schmelztemperatur: ca. 72 °C,
• Fieldsches Metall: 51ln 32,5Bi 16,5Sn Schmelztemperatur: ca. 62°C,
• Woodsches Metall / Woodsche Legierung: 50Bi 25Pb 12,5Cd 12,5Sn Schmelzintervall: ca. 70-74°C,
• Roses Metall: 50Bi 25Pb 25Sn Schmelzintervall: ca. 93-96°C,
• Bismut-Zinn-Eutektikum: 58Bi 42Sn Schmelztemperatur: ca. 138°C,
• Bismut-Zinn-Silber: 57Bi 42Sn 1Ag Schmelztemperatur: ca. 138°C,
• Bismut-Indium-Eutektikum: 67Bi 33ln Schmelztemperatur: ca. 109°C,
• Indium: In Schmelztemperatur: ca. 156°C.

The following fluids have proven to be particularly advantageous:

• Indium bismuth eutectic: 66.71n 33.3Bi melting temperature: approx. 72 °C,
• Field's metal: 51ln 32.5Bi 16.5Sn melting temperature: approx. 62°C,
• Wood's metal / Wood's alloy: 50Bi 25Pb 12.5Cd 12.5Sn melting range: approx. 70-74°C,
• Roses metal: 50Bi 25Pb 25Sn Melting range: approx. 93-96°C,
• Bismuth-tin eutectic: 58Bi 42Sn melting point: approx. 138°C,
• Bismuth-tin-silver: 57Bi 42Sn 1Ag melting temperature: approx. 138°C,
• Bismuth-indium eutectic: 67Bi 33ln melting temperature: approx. 109°C,
• Indium: In melting temperature: approx. 156°C.

Ferner eignen sich bei spezieller Anwendung auch Salze (auch als feines Pulver) oder Wasser (mit und ohne Salze).Salts (also as a fine powder) or water (with and without salts) are also suitable for special applications.

Für die Medizin-Fertigung eignen sich in überraschender Weise Polyether und im Speziellen PEG.Surprisingly, polyethers and in particular PEG are suitable for the manufacture of medicines.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Baukammer Anschlüsse zu einem Versorgungssystem des flüssigförmigen Fluides auf.In a development of the invention, the construction chamber has connections to a supply system for the liquid fluid.

In einer ersten Ausführung der Erfindung ist die Aufnahmevorrichtung innerhalb des flüssigen Fluides in z-Richtung verschiebbar angeordnet und von dem flüssigförmigen Fluid umgeben.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass sich das Fluid im gesamten Bauraum befindet, wodurch es ohne erhöhtem Aufwand bei konstanter Temperatur gehalten werden kann. Das Fluid muss während des Druckprozesses nicht zwingend über Pumpen oder ähnlichem zu oder abgeführt werden, bzw. es muss keine kontinuierliche Zuführung des Fluides erfolgen.
Ferner ist von Vorteil, dass sich keine Konvektion der Düse in das Fluid einstellt. Zudem muss der Druckkopf nicht isoliert werden.
Ferner entstehen durch die jetzt erreichbaren hohen Geschwindigkeiten keine Strömungen und Turbulenzen am Bauteil, da der Druckkopf das Fluid nicht bewegt. Zudem erfährt der Druckkopf durch das Fluid keinen Widerstand.
Eine Besonderheit dieser Ausführung ist, dass sich auch innerhalb des Bauteils ein Fluid befinden würde.In a first embodiment of the invention, the receiving device is arranged displaceably within the liquid fluid in the z-direction and is surrounded by the liquid fluid.
It is particularly advantageous that the fluid is located in the entire installation space, which means that it can be kept at a constant temperature without increased effort. During the printing process, the fluid does not necessarily have to be supplied or removed via pumps or the like, or the fluid does not have to be continuously supplied.
Furthermore, it is advantageous that no convection of the nozzle in the fluid occurs. In addition, the printhead does not have to be insulated.
Furthermore, due to the high speeds that can now be achieved, there are no currents or turbulences on the component, since the print head does not move the fluid. In addition, the print head experiences no resistance from the fluid.
A special feature of this design is that there would also be a fluid inside the component.

In einer zweiten Ausführung ist die Aufnahmevorrichtung innerhalb der Baukammer in z-Richtung verschiebbar angeordnet und ausschließlich die Aufnahmefläche der Aufnahmevorrichtung ist mit dem flüssigförmigen Fluid in Kontakt.
In dieser Ausführung steigt der Fluidpegel mit dem Absenken der Substratplatte, bzw. Bauplatte. Der Druckkopf arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie der des ersten Ausführungsbeispiels.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass sich das Fluid im gesamten Bauraum befindet, wodurch es ohne erhöhtem Aufwand bei konstanter Temperatur gehalten werden kann. Ferner ist von Vorteil, dass sich keine Konvektion der Düse in das Fluid einstellt. Zudem muss der Druckkopf nicht isoliert werden. Ferner entstehen durch die jetzt erreichbaren hohen Geschwindigkeiten keine Strömungen und Turbulenzen am Bauteil, da der Druckkopf das Fluid nicht bewegt. Zudem erfährt der Druckkopf durch das Fluid keinen Widerstand.
Eine Besonderheit dieser Ausführung ist, dass sich auch innerhalb des Bauteils ein Fluid befinden würde.
Ferner muss das Fluid durch Pumpen oder ähnlichem des Versorgungssystems kontrolliert in den Bauraum geleitet werden, sodass die Düse des Druckkopfs stets unter der Fluidoberfläche liegt.
Eine Besonderheit dieser Ausführung wäre, dass sich auch innerhalb des Bauteils ein Fluid befinden würde.In a second embodiment, the receiving device is arranged to be displaceable in the z-direction within the construction chamber and only the receiving surface of the receiving device is in contact with the liquid fluid.
In this embodiment, the fluid level rises as the substrate plate or building plate is lowered. The print head works on the same principle as that of the first embodiment.
It is particularly advantageous that the fluid is located in the entire installation space, which means that it can be kept at a constant temperature without increased effort. Furthermore, it is advantageous that no convection of the nozzle in the fluid occurs. In addition, the printhead does not have to be insulated. Furthermore, due to the high speeds that can now be achieved, there are no currents or turbulences on the component, since the print head does not move the fluid. In addition, the print head experiences no resistance from the fluid.
A special feature of this design is that there would also be a fluid inside the component.
Furthermore, the fluid must be guided into the installation space in a controlled manner by pumps or the like of the supply system, so that the nozzle of the print head is always below the fluid surface.
A special feature of this design would be that there would also be a fluid inside the component.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks mit einer der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte umfasst:

a. die Aufnahmevorrichtung wird über die Verstellvorrichtung in Richtung der z-Achse auf einen oberen Startpunkt A positioniert, wobei dieser unterhalb des Oberflächenpegels des flüssigförmigen Fluides angeordnet ist,
b. der Druckkopf wird über die Verstellvorrichtung in x-y-Richtung auf den Startpunkt B positioniert, wobei sich die Drucköffnung des Druckkopfs zum Austragen des Substrats innerhalb des flüssigen Fluides befindet,
c. das Substrat wird durch den Druckkopf schichtweise entsprechend der Geometrie des Werkstücks in das flüssigförmige Fluid ausgetragen,
d. das ausgetragene Substrat kühlt ab, während weiteres Substrat durch den Druckkopf ausgetragen wird,
e. nach Fertigstellung einer Schicht, wird die Aufnahmevorrichtung in z-Richtung abgesenkt,
f. Wiederholung der Schritte c bis e bis das Werkstück fertiggestellt ist,
g. Entnahme des Werkstücks aus der Baukammer.

Furthermore, the invention relates to a method for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece with one of the devices according to the invention, the method comprising at least the following steps:

a. the recording device is positioned via the adjustment device in the direction of the z-axis at an upper starting point A, which is arranged below the surface level of the liquid fluid,
b. the print head is positioned in the xy direction at the starting point B using the adjustment device, with the print head's print opening for discharge of the substrate being located within the liquid fluid,
c. the substrate is discharged into the liquid form by the print head in layers corresponding to the geometry of the workpiece,
i.e. the ejected substrate cools while more substrate is ejected through the print head,
e. after completion of a layer, the recording device is lowered in the z-direction,
f. repeating steps c through e until the workpiece is finished,
G. Removal of the workpiece from the build chamber.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird der Oberflächenpegel relativ zum Druckkopf konstant gehalten.In a development of the method, the surface level is kept constant relative to the print head.

In einer Weiterbildung hält das Versorgungssystem den Oberflächenpegel relativ zum Druckkopf konstant, indem das flüssigförmige Fluid durch die Anschlüsse des Versorgungssystems zur Baukammer zu- oder abgeführt wird.In a further development, the supply system keeps the surface level relative to the print head constant by the liquid-form fluid being supplied to or removed from the build chamber through the connections of the supply system.

Die bereits genannten Vorteile ergeben sich auch durch das erfindungsgemäße Verfahren und dessen Weiterbildungen.The advantages already mentioned also result from the method according to the invention and its developments.

Zusammenfassend ergeben sich insbesondere folgende Vorteile durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren: eine vereinfachte Isolation der Baukammer, bzw. des Druckkopfs; eine energieeffiziente und materialschonende Prozessführung; die Möglichkeit komplexere Bauteile mit weniger Supportmaterial herstellen zu können; eine geringere Fadenbildung; das Spot unabhängige Drucken und eine vereinfachte Bahnplanung.In summary, the following advantages in particular result from the structure of the device according to the invention and the method according to the invention: simplified insulation of the build chamber or the print head; an energy-efficient and material-friendly process management; the ability to produce more complex parts with less support material; less stringing; spot-independent printing and simplified path planning.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Zeichnung und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.Further advantages result from the drawing and the description of the exemplary embodiments.

Figurenlistecharacter list

Es zeigen:

1 Eine Ansicht einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks nach Stand der Technik,
2 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks,
3 eine weitere schematische Ansicht einer ersten Ausführung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks,
4 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks,
5 eine weitere schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks und
6 eine Ansicht eines Verfahrensablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks.

Show it:

1 A view of a device for additively manufacturing a three-dimensional workpiece according to the prior art,
2 a schematic view of a first embodiment of a device for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece,
3 a further schematic view of a first embodiment of a device for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece,
4 a schematic view of a second embodiment of a device according to the invention for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece,
5 a further schematic view of a second embodiment of a device according to the invention for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece and
6 a view of a process sequence of the method according to the invention for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece.

Ausführungsbeispieleexemplary embodiments

1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Ansicht einer Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks 10. Die dargestellte Vorrichtung 1, auch 3D-Drucker, oder Drucker genannt, umfasst eine beispielsweise beheizte Baukammer 2, eine Verstellvorrichtung 5, einen Druckkopf 3 und eine Aufnahmevorrichtung 4 zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks 10. Die Verstellvorrichtung 5 umfasst ein oberhalb des Werkstücks 10 angeordnetes x-y-Achssystem 15 mit einer Druckkopfaufnahme 25 zur Verstellung des Druckkopfs 3 in einer x-y-Ebene und ein unterhalb des Werkstücks angeordnetes z-Achssystem 35 zur Verstellung der Aufnahmevorrichtung 4 in z-Richtung. Die Verstellvorrichtung 5 sorgt durch ihre Bewegungen des Druckkopfes und der Aufnahmevorrichtung für die dreidimensionale Herstellung des Werkstücks auf der Aufnahmevorrichtung 4, bzw. der sogenannten Substratplatte, bzw. des Substratträgers. Hierzu wird ein beispielsweise thermoplastischer Werkstoff verflüssigt und schichtweise auf den Substratträger 4 aufgetragen, so dass das zu fertigende Werkstück 10 entsteht. 1 shows a view known from the prior art of a device 1 for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece 10. The device 1 shown, also known as a 3D printer or printer, includes a build chamber 2 that is heated, for example, an adjustment device 5, a print head 3 and a Recording device 4 for receiving the three-dimensional workpiece 10. The adjusting device 5 comprises an xy-axis system 15 arranged above the workpiece 10 with a print head mount 25 for adjusting the print head 3 in an xy plane and a z-axis system 35 arranged below the workpiece for adjusting the Recording device 4 in the z-direction. The adjusting device 5, through its movements of the print head and the receiving device, ensures the three-dimensional production of the workpiece on the receiving device 4, or the so-called substrate plate, or the substrate carrier. For this purpose, a thermoplastic material, for example, is liquefied and applied in layers to the substrate carrier 4 so that the workpiece 10 to be manufactured is created.

Zu Beginn eines Druckvorgangs wird die Baukammer 2 auf Prozesstemperatur erhitzt, beispielsweise mittels eines nicht dargestellten integrierten Heizsystems. Gedruckt wird auf einen Substratträger 4, der speziell beschichtet ist, um die Haftung des verflüssigten thermoplastischen Werkstoffs auf der Oberfläche des Substratträgers 4 zu verbessern. Der Substratträger 4 liegt innerhalb der Baukammer 2 auf einem Druckbett auf. Über ein Vakuum oder einen Anschlagbolzen kann er in Position gehalten werden.At the beginning of a printing process, the build chamber 2 is heated to the process temperature, for example by means of an integrated heating system (not shown). Is printed on a substrate carrier 4, which is specially coated in order to improve the adhesion of the liquefied thermoplastic material on the surface of the substrate carrier 4. The substrate carrier 4 lies within the build chamber 2 on a pressure bed. It can be held in position with a vacuum or a stop bolt.

2 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks 10 aus einem flüssigförmigen Substrat 11, wobei die Vorrichtung 1 eine Baukammer 2, zumindest einen Druckkopf 3 mit einer Drucköffnung 31 zum Austragen des Substrats 11, eine Aufnahmevorrichtung 4 zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks 10 und eine Verstellvorrichtung 5 umfasst. Die Verstellvorrichtung 5 umfasst ein x-y-Achssystem 15 mit einer Druckkopfaufnahme 25 und ein unterhalb der Aufnahmevorrichtung 4 angeordnetes z-Achssystem 35. Erfindungsgemäß ist die Baukammer 2 während eines Fertigungsprozesses mit einem flüssigförmigen Fluid 51 befüllt, wobei der Druckkopf 3 oberhalb und eine Aufnahmefläche 41 der Aufnahmevorrichtung 4 stets unterhalb eines Oberflächenpegels 52 des flüssigförmigen Fluides 51 angeordnet ist und die Drucköffnung 31 zum Austragen des Substrats 11 in das flüssigförmige Fluid 51 hinein ragt.
Die Baukammer 2 weist Anschlüsse zu einem Versorgungssystem 50 des flüssigförmigen Fluides 51 auf. Das Versorgungssystem 50 befüllt die Baukammer 2 vor dem Druckprozess mit dem auf die Zieltemperatur erhitzten Fluid 51 und hält den Oberflächenpegel 52 des Fluides 51 bei Bedarf auf einer konstanten Höhe.
Die Aufnahmevorrichtung 4 des hier gezeigten ersten Ausführungsbeispiels ist innerhalb des flüssigen Fluides 51 in z-Richtung verschiebbar angeordnet und von dem flüssigförmigen Fluid 51 umgeben. 2 shows a schematic view of a first embodiment of a device 1 according to the invention for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece 10 from a liquid substrate 11, the device 1 having a build chamber 2, at least one print head 3 with a pressure opening 31 for dispensing the substrate 11, a receiving device 4 for Recording of the three-dimensional workpiece 10 and an adjustment device 5 includes. The adjustment device 5 comprises an xy-axis system 15 with a print head mount 25 and a z-axis system 35 arranged below the mount 4. According to the invention, the build chamber 2 is filled with a liquid fluid 51 during a manufacturing process, with the print head 3 above and a mount surface 41 of the Recording device 4 is always arranged below a surface level 52 of the liquid fluid 51 and the pressure opening 31 for discharging the substrate 11 into the liquid fluid 51 protrudes.
The construction chamber 2 has connections to a supply system 50 for the liquid fluid 51 . The supply system 50 fills the build chamber 2 before the printing process with the fluid 51 heated to the target temperature and keeps the surface level 52 of the fluid 51 at a constant level if necessary.
The recording device 4 of the first exemplary embodiment shown here is arranged such that it can be displaced in the z-direction within the liquid fluid 51 and is surrounded by the liquid fluid 51 .

Der Druckkopf 3 bewegt sich während des Fertigungsprozesses entlang des x-y-Achssystems, wobei sich die Drucköffnung 31, bzw. die Druckkopfdüse des Druckkopfs 3 kurz unterhalb des Oberflächenpegels 52 des Fluides 51 befindet, also knapp unter der Fluidoberfläche 52. Die Aufnahmevorrichtung 4, bzw. die Bauplatte 4 senkt sich während des Druckprozesses Schicht für Schicht in z-Richtung ab. Das Fluid 51 befindet sich dabei im Bauraum der Baukammer 2 unterhalb des Oberflächenpegels 52, daher sind die Achsen des z-Achssystems 35 gegen das Fluid 51 abgedichtet.During the manufacturing process, the print head 3 moves along the x-y axis system, with the print opening 31 or the print head nozzle of the print head 3 being located just below the surface level 52 of the fluid 51, i.e. just below the fluid surface 52. The receiving device 4 or the building board 4 lowers layer by layer in the z-direction during the printing process. The fluid 51 is located in the construction space of the construction chamber 2 below the surface level 52, so the axes of the z-axis system 35 are sealed against the fluid 51.

3 zeigt eine weitere schematische Ansicht der ersten Ausführung der Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung des dreidimensionalen Werkstücks 10, wobei es die gleiche Vorrichtung 1 mit dem gleichen Druckkopf 3 wie in 2 in einem fortgeschrittenen Prozessschritt zeigt.
Das Werkstück 10 ist in seiner Bauform weiter fortgeschritten gefertigt, bzw. gedruckt, wobei durch Pfeile dargestellt ist, dass sich die Aufnahmevorrichtung 4, bzw. die Substratplatte 4 weiter in z-Richtung in die Baukammer 2 bewegt hat. Sowohl in 2 als auch in 3 ist dargestellt, dass das Werkstück 10 während des Druckprozesses stets vollständig in dem Fluid 51 eingetaucht ist, wodurch das Werkstück 10 stets eine optimale Temperatur zum Drucken aufweist.
Besonders vorteilhaft bei dieser Prozessdurchführung, bzw. Anordnung ist, dass der Druckprozess quasi Störungsfrei unterbrochen und an einer anderen Stelle fortgesetzt werden kann. 3 shows a further schematic view of the first embodiment of the device 1 for the additive manufacturing of the three-dimensional workpiece 10, it being the same device 1 with the same print head 3 as in FIG 2 shows in an advanced process step.
The workpiece 10 is manufactured or printed at a more advanced stage in terms of its design, with arrows showing that the receiving device 4 or the substrate plate 4 has moved further into the build chamber 2 in the z-direction. As well in 2 as well as in 3 1 shows that the workpiece 10 is always completely immersed in the fluid 51 during the printing process, as a result of which the workpiece 10 is always at an optimum temperature for printing.
It is particularly advantageous with this process implementation or arrangement that the printing process can be interrupted with virtually no disruption and continued at another point.

Ferner ist ein Drucken mit mehreren hier nicht dargestellten Druckköpfen 3 in einer Baukammer 2 möglich.Furthermore, printing with a plurality of print heads 3 (not shown here) in a build chamber 2 is possible.

4 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks 10 aus einem flüssigförmigen Substrat 11, wobei die Vorrichtung 1 eine Baukammer 2, zumindest einen Druckkopf 3 mit einer Drucköffnung 31 zum Austragen des Substrats 11, eine Aufnahmevorrichtung 4, bzw. Substratplatte zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks 10 und eine Verstellvorrichtung 5 umfasst. Die Verstellvorrichtung 5 umfasst ein x-y-Achssystem 15 mit einer Druckkopfaufnahme 25 und ein unterhalb der Aufnahmevorrichtung 4 angeordnetes z-Achssystem 35. Erfindungsgemäß ist die Baukammer 2 während eines Fertigungsprozesses mit einem flüssigförmigen Fluid 51 befüllt, wobei der Druckkopf 3 oberhalb und eine Aufnahmefläche 41 der Aufnahmevorrichtung 4 stets unterhalb eines Oberflächenpegels 52 des flüssigförmigen Fluides 51 angeordnet ist und die Drucköffnung 31 zum Austragen des Substrats 11 in das flüssigförmige Fluid 51 hinein ragt.
Die Baukammer 2 weist Anschlüsse zu einem Versorgungssystem 50 des flüssigförmigen Fluides 51 auf.
Die Aufnahmevorrichtung 4 des hier gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels ist innerhalb der Baukammer 2 in z-Richtung verschiebbar angeordnet und ausschließlich die Aufnahmefläche 41 der Aufnahmevorrichtung 4 ist mit dem flüssigförmigen Fluid 51 in Kontakt. 4 shows a schematic view of a second embodiment of the device 1 according to the invention for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece 10 from a liquid substrate 11, the device 1 having a build chamber 2, at least one print head 3 with a pressure opening 31 for dispensing the substrate 11, a receiving device 4, or substrate plate for receiving the three-dimensional workpiece 10 and an adjustment device 5 . The adjustment device 5 comprises an xy-axis system 15 with a print head mount 25 and a z-axis system 35 arranged below the mount 4. According to the invention, the build chamber 2 is filled with a liquid fluid 51 during a manufacturing process, with the print head 3 above and a mount surface 41 of the Recording device 4 is always arranged below a surface level 52 of the liquid fluid 51 and the pressure opening 31 for discharging the substrate 11 into the liquid fluid 51 protrudes.
The construction chamber 2 has connections to a supply system 50 for the liquid fluid 51 .
The receiving device 4 of the second exemplary embodiment shown here is arranged to be displaceable in the z-direction within the construction chamber 2 and only the receiving surface 41 of the receiving device 4 is in contact with the liquid fluid 51 .

In dieser Ausführung regelt das Versorgungsystem 50 den Zu- und Abfluss des Fluides 51 in die Baukammer 2 derart, dass die Fluidmenge in der Baukammer 2 zunimmt, jedoch der Oberflächenpegel 52 mit dem Absenken der Substratplatte 4 auf konstanter Höhe zum Druckkopf 3 bleibt. Dadurch funktioniert der Druckkopf 3 der Vorrichtung 1 nach dem gleichen Prinzip wie der Druckkopf 3 des ersten Ausführungsbeispiels.In this embodiment, the supply system 50 regulates the inflow and outflow of the fluid 51 into the build chamber 2 in such a way that the amount of fluid in the build chamber 2 increases, but the surface level 52 remains at a constant level relative to the print head 3 as the substrate plate 4 is lowered. As a result, the print head 3 of the device 1 works according to the same principle as the print head 3 of the first exemplary embodiment.

Der Druckkopf 3 bewegt sich während des Fertigungsprozesses entlang des x-y-Achssystems, wobei sich die Druckkopfdüse 32 des Druckkopfs 3 kurz unterhalb des Oberflächenpegels 52 des Fluides 51 befindet, also knapp unter der Fluidoberfläche 52. Die Aufnahmevorrichtung 4, bzw. die Bauplatte 4 senkt sich während des Druckprozesses Schicht für Schicht in z-Richtung ab. Das Fluid 51 befindet sich dabei in der Baukammer 2 oberhalb der Aufnahmefläche 41 der Aufnahmevorrichtung 4 und unterhalb des Oberflächenpegels 52. Daher ist die Aufnahmevorrichtung 4 gegen das Fluid 51 abgedichtet.The print head 3 moves during the manufacturing process along the x-y axis system, with the print head nozzle 32 of the print head 3 being just below the surface level 52 of the fluid 51, i.e. just below the fluid surface 52. The receiving device 4 or the building board 4 lowers layer by layer in the z-direction during the printing process. The fluid 51 is located in the construction chamber 2 above the receiving surface 41 of the receiving device 4 and below the surface level 52. The receiving device 4 is therefore sealed against the fluid 51.

5 zeigt eine weitere schematische Ansicht der zweiten Ausführung der Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung des dreidimensionalen Werkstücks 10, wobei es die gleiche Vorrichtung 1 mit dem gleichen Druckkopf 3 wie in 4 in einem fortgeschrittenen Prozessschritt zeigt.
Das Werkstück 10 ist in seiner Bauform weiter fortgeschritten gefertigt, bzw. gedruckt, wobei durch Pfeile dargestellt ist, dass sich die Aufnahmevorrichtung 4, bzw. die Substratplatte 4 weiter in z-Richtung in die Baukammer 2 bewegt hat. Sowohl in 4 als auch in 5 ist dargestellt, dass das Werkstück 10 während des Druckprozesses stets vollständig in dem Fluid 51 eingetaucht ist, wodurch das Werkstück 10 stets eine optimale Temperatur zum Drucken aufweist.
Besonders vorteilhaft bei dieser Prozessdurchführung, bzw. Anordnung ist, dass der Druckprozess quasi Störungsfrei unterbrochen und an einer anderen Stelle fortgesetzt werden kann. 5 shows a further schematic view of the second embodiment of the device 1 for the additive manufacturing of the three-dimensional workpiece 10, it being the same device 1 with the same print head 3 as in FIG 4 shows in an advanced process step.
The workpiece 10 is manufactured or printed at a more advanced stage in terms of its design, with arrows showing that the receiving device 4 or the substrate plate 4 has moved further into the build chamber 2 in the z-direction. As well in 4 as well as in 5 1 shows that the workpiece 10 is always completely immersed in the fluid 51 during the printing process, as a result of which the workpiece 10 is always at an optimum temperature for printing.
It is particularly advantageous with this process implementation or arrangement that the printing process can be interrupted with virtually no disruption and continued at another point.

6 zeigt eine Ansicht eines Ablaufplans des erfindungsgemäßen Verfahrens zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks 1. In weiteren schematisch dargestellten Figuren (6b bis 6d) ist der jeweilige Druckfortschritt des Werkstücks 10 dargestellt. 6 shows a view of a flow chart of the method according to the invention for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece 1. In further schematically illustrated figures ( 6b until 6d ) the respective printing progress of the workpiece 10 is shown.

6a zeigt den Ablaufplan zur additiven Fertigung des dreidimensionalen Werkstücks 10 mit der Vorrichtung 1 am Beispiel des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei die folgenden Verfahrensschritte auch für das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 geeignet sind. 6a shows the flowchart for the additive manufacturing of the three-dimensional workpiece 10 with the device 1 using the example of the second embodiment, the following method steps also being suitable for the first embodiment of the device 1 according to the invention.

Dabei umfasst das Verfahren zumindest folgende Schritte:

a. die Aufnahmevorrichtung 4 wird über die Verstellvorrichtung 35 in Richtung der z-Achse auf einen oberen Startpunkt A positioniert, wobei dieser unterhalb des Oberflächenpegels 52 des flüssigförmigen Fluides 51 angeordnet ist (6b),
b. der Druckkopf 3 wird über die Verstellvorrichtung 15 in x-y-Richtung auf den Startpunkt B positioniert, wobei sich eine Öffnung 31 des Druckkopfs 3 zum Austragen des Substrats 11 innerhalb des flüssigen Fluides 51 befindet (6b),
c. das Substrat 11 wird durch den Druckkopf 3 schichtweise entsprechend der geplanten Geometrie des Werkstücks 10 in das flüssigförmige Fluid 51 ausgetragen (6c),
d. das ausgetragene Substrat 11 kühlt ab, während weiteres Substrat 11 durch den Druckkopf 3 ausgetragen wird (6c),
e. nach Fertigstellung einer Schicht, wird die Aufnahmevorrichtung 4 in z-Richtung abgesenkt,
f. Wiederholung der Schritte c bis e bis das Werkstück 10 fertiggestellt ist,
g. Entnahme des Werkstücks 10 aus der Baukammer 2 (6d).

The process includes at least the following steps:

a. the receiving device 4 is positioned via the adjusting device 35 in the direction of the z-axis at an upper starting point A, which is arranged below the surface level 52 of the liquid fluid 51 ( 6b) ,
b. the print head 3 is positioned in the xy direction at the starting point B via the adjustment device 15, with an opening 31 of the print head 3 for discharge of the substrate 11 located within the liquid fluid 51 ( 6b) ,
c. the substrate 11 is discharged into the liquid-form fluid 51 in layers by the print head 3 according to the planned geometry of the workpiece 10 ( 6c ),
i.e. the ejected substrate 11 cools down while another substrate 11 is ejected by the print head 3 ( 6c ),
e. after completion of a layer, the recording device 4 is lowered in the z-direction,
f. repeating steps c through e until workpiece 10 is complete,
G. Removal of the workpiece 10 from the build chamber 2 ( 6d ).

Zur Gewährleistung eines stabilen Druckprozesses wird der Oberflächenpegel 52 relativ zum Druckkopf 3 konstant gehalten.To ensure a stable printing process, the surface level 52 relative to the print head 3 is kept constant.

Das Versorgungssystem 50 hält den Oberflächenpegel 52 relativ zum Druckkopf 3 konstant, indem das flüssigförmige Fluid 51 durch die Anschlüsse des Versorgungssystems 50 zur Baukammer 2 zu- oder abgeführt wird. Das heißt, dass während die nächste Schicht aufgebracht wird, kann das Niveau des Oberflächenpegels 52 durch Zu- oder Ablassen von Fluid 51 durch das Versorgungssystem 50 angepasst werden.The supply system 50 keeps the surface level 52 constant relative to the print head 3 by the liquid fluid 51 being supplied to or removed from the build chamber 2 through the connections of the supply system 50 . That is, while the next layer is being applied, the level of the surface level 52 can be adjusted by admitting or discharging fluid 51 through the supply system 50 .

Das Drucken kann nach einem Druckstopp oder bei Bedarf an einer beliebigen Stelle sofort weitergeführt werden, da die jeweils unterliegende Schicht des Substrats 11, bzw. die obere Schicht des Werkstücks 10 zwangsweise eine optimale Drucktemperatur aufweist, da es von dem Fluid 51 umgeben ist.Printing can be continued immediately after a print stop or if necessary at any point, since the underlying layer of the substrate 11 or the upper layer of the workpiece 10 necessarily has an optimal printing temperature since it is surrounded by the fluid 51 .

Ist die letzte Schicht aufgebracht, wird das Werkstück 10, bzw. das Bauteil aus der Baukammer 2, bzw. dem Fluid 51 herausgeführt und entnommen.Once the last layer has been applied, the workpiece 10 or the component is guided out of the build chamber 2 or the fluid 51 and removed.

Bei diesem Verfahren wird je nach Geometrie des Werkstücks 10 gegebenenfalls Fluid 51 in Hohlräumen des Werkstücks 10 zurückbleiben. Das Fluid 51 muss anschließend in einem weiteren Prozessschritt oder bei der Entnahme aus dem Werkstück 10 entfernt werden, beispielsweise durch Abtropfen oder Ausblasen.In this method, depending on the geometry of the workpiece 10, fluid 51 may remain in cavities of the workpiece 10. The fluid 51 must then be removed in a further process step or during removal from the workpiece 10, for example by dripping off or blowing out.

Claims

Device (1) for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece (10) from a liquid substrate (11), the device (1) having a construction chamber (2), at least one print head (3) with a pressure opening (31) for dispensing the substrate ( 11), a receiving device (4) for receiving the three-dimensional workpiece (10) and an adjusting device (5), the adjusting device (5) comprising an xy-axis system (15) with a print head holder (25) and a below the receiving device (4 ) arranged z-axis system (35), characterized in that the construction chamber (2) is filled with a liquid fluid (51) during a manufacturing process, the print head (3) above and a receiving surface (41) of the receiving device (4) is always arranged below a surface level (52) of the liquid-form fluid (51) and the pressure opening (31) for discharging the substrate (11) protrudes into the liquid-form fluid.

Device (1) after claim 1 , characterized in that the construction chamber (2) has connections to a supply system (50) of the liquid fluid (51).

Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the receiving device (4) is arranged displaceably in the z-direction within the liquid fluid (51) and is surrounded by the liquid fluid (51).

Device (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the receiving device (4) is arranged displaceably in the z-direction within the construction chamber (2) and only the receiving surface (41) of the receiving device (4) is in contact with the liquid fluid (51).

Method for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece (10) with a device (1) according to one of the preceding claims, the method comprising at least the following steps: a. the receiving device (4) is positioned via the adjusting device (35) in the direction of the z-axis at an upper starting point (A), which is arranged below the surface level (52) of the liquid fluid (51), b. the print head (3) is positioned in the xy direction at the starting point (B) via the adjustment device (15), the print opening (31) of the print head (3) for discharging the substrate (11) being located within the liquid fluid (51) located, c. the substrate (11) is discharged into the liquid-form fluid (51) by the print head (3) in layers corresponding to the planned geometry of the workpiece (10), d. the discharged substrate (11) cools down while further substrate (11) is discharged through the print head (3), e. after completion of a layer, the receiving device (4) is lowered in the z-direction, f. repeating steps c to e to the work piece (10) is completed, g. Removal of the workpiece (10) from the build chamber (2).

Method for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece (10). claim 5 characterized in that the surface level (52) relative to the print head (3) is kept constant.

Method for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece (10). claim 5 or 6 characterized in that the supply system (50) keeps the surface level (52) constant relative to the print head (3) by the liquid fluid (51) being supplied or removed through the connections of the supply system (50) to the construction chamber (2).