DE102021202651A1

DE102021202651A1 - Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes für einen 3D-Drucker und Druckkopf für einen 3D-Drucker zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102021202651A1
Application number: DE102021202651.6A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Jahnle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2022-09-22
Also published as: WO2022195012A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Betreiben eines Druckkopfes (100) für einen 3D-Drucker, wobei flüssige Phase (12) eines druckfähigen Materials (10) aus einer Düse (8) zum Drucken eines dreidimensionalen Bauteils (9) ausgebracht wird.
Erfindungsgemäß wird die Ausbringung (200) der flüssigen Phase (12) druckgeregelt durchgeführt, wobei:
- ein Druck (p_L) in einem Schmelzeraum (81) permanent gemessen wird (210),
- ein Kolben (3) des Druckkopfes (100) aktiv über eine Steuer- und Regeleinheit (113) angesteuert wird (220), wobei der Vorschub des Kolbens (3) druckabhängig um einen Korrekturfaktor angepasst wird (230), wobei sich der Korrekturfaktor aus der Federkonstante der flüssigen Phase (12) des Materials ergibt.
Ferner betrifft die Erfindung einen Druckkopf (100) für einen 3D-Drucker zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens (200).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes für einen 3D-Drucker und ein Druckkopf für einen 3D-Drucker zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Ein 3D-Drucker für ein in seiner Viskosität veränderliches Material erhält eine feste Phase dieses Materials als Ausgangsmaterial, erzeugt daraus eine flüssige Phase und bringt diese flüssige Phase selektiv an den Stellen, die zu dem zu erzeugenden Objekt gehören, auf. Ein solcher 3D-Drucker umfasst einen Druckkopf, in dem das Ausgangsmaterial druckfertig aufbereitet wird. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, vorgesehen. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.
Der Druckkopf hat einen ersten Betriebszustand, in dem flüssiges Material aus ihm austritt, und einen zweiten Betriebszustand, in dem kein flüssiges Material aus ihm austritt. Der zweite Betriebszustand wird beispielsweise dann eingenommen, wenn eine andere Position auf der Arbeitsfläche angefahren werden und auf dem Weg dorthin kein Material ausgebracht werden soll. Zwischen den beiden Betriebszuständen des Druckkopfes kann beispielsweise umgeschaltet werden, indem der Vortrieb des festen Ausgangsmaterials ein- bzw. ausgeschaltet wird.
Am verbreitetsten ist das „fused deposition modeling“ (FDM), bei dem ein Filament aus dem Ausgangsmaterial in einer elektrisch beheizten Extruderdüse aufgeschmolzen und schichtweise auf eine Plattform aufgebracht wird. In Form eines derartigen Filaments ist das Ausgangsmaterial sehr teuer.
In der US 2016/082 627 A1 wird vorgeschlagen, das Ausgangsmaterial in Granulatform zuzuführen und mit einer Förderschnecke zu einer beheizten Zone zu fördern, aus der es in plastifizierter Form austritt. Zum einen ist Granulat deutlich günstiger, und zum anderen können Mischungen aus verschiedenen thermoplastischen Materialien auf diese Weise einfach hergestellt werden.
Ferner ist aus der DE 102016222306 A1 ein Druckkopf bekannt, wobei in diesem ein Granulat über einen Kolben und eine beheizte Strecke plastifiziert wird. Wenn der Kolben auf das Granulat drückt, wird dieses verdichtet und zu einer Plastifizierungszone im unteren Bereich des Druckkopfes gefördert. Dabei treten Kräfte auf, die den Kolben und eine Zylinderwandung des Druckkopfes stark beanspruchen und zu erhöhtem Verschleiß an der Zylinderwand des Druckkopfgehäuses führen können. Ferner ist eine komplexe Aufschmelzgeometrie mit einer Wärmeleitstruktur offenbart, wobei diese eine Heizleistung eines Heizelements in das plastifizierte Material einbringt, um es in eine flüssige Phase des Materials zu bringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes für einen 3D-Drucker und einen Druckkopf für einen 3D-Drucker bereitzustellen, wobei das Verfahren und der Druckkopf eine hohe Dynamik und einen stabilen Druckprozess ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes für einen 3D-Drucker entwickelt. Ferner wurde ein Druckkopf für einen 3D-Drucker zur Durchführung des Verfahrens entwickelt.
Das Verfahren zum Betreiben des Druckkopfes, wobei flüssige Phase eines druckfähigen Materials aus einer Düse zum Drucken eines dreidimensionalen Bauteils ausgebracht wird. Erfindungsgemäß wird die Ausbringung der flüssigen Phase druckgeregelt durchgeführt, wobei:

- ein Druck in einem Schmelzeraum permanent gemessen wird,
- ein Kolben des Druckkopfes aktiv über eine Steuer- und Regeleinheit angesteuert wird, wobei der Vorschub des Kolbens druckabhängig um einen Korrekturfaktor angepasst wird, wobei sich der Korrekturfaktor aus der Federkonstante der flüssigen Phase des Materials ergibt.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird zumindest die Ausbringung durch eine aktive Regelung einer Aktorvorrichtung durch eine Steuer- und Regeleinheit durchgeführt, wobei Ergebnisse einer Auswerteeinheit aus Messwerten von Sensoren an die Steuer- und Regeleinheit weitergegeben werden.
Ferner betrifft die Erfindung einen Druckkopf für einen 3D-Drucker zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Druckkopf umfasst eine in einem Gehäuse des Druckkopfes angeordnete Aktorvorrichtung zur Ansteuerung des Kolbens, eine Zuführeinrichtung für das druckbare Material, ein am Gehäuse und der Zuführeinrichtung angeordneten Flansch mit einer Kühlvorrichtung, einen Düsenkopf mit Heizelementen zur Umwandlung des Materials von einer festen Phase über eine plastische Phase in eine flüssige Phase und die Düse zur Ausbringung der flüssigen Phase des Materials aus dem Düsenkopf, wobei erfindungsgemäß die Steuer- und Regeleinheit für eine aktive Regelung der Aktorvorrichtung zum Verfahren des Kolbens entsprechend einer auszuführenden Betriebsstrategie zum Befüllen und Drucken und für eine aktive Regelung der Heizelemente vorgesehen ist.
In einer Weiterbildung des Druckkopfes ist die Auswerteeinheit dazu vorgesehen, Messwerte von Sensoren des Druckkopfs auszuwerten und die Ergebnisse an die Steuer- und Regeleinheit zur aktiven Regelung der Aktorvorrichtung und zur aktiven Regelung der Heizelemente weiterzugeben.
Die Auswerteeinheit kann sowohl separat von der Steuer- und Regeleinheit ausgeführt sein, als auch in dieser integriert sein.
Durch die Erfassung und Auswertung der Sensorenwerte in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebszustände kann die Funktionsfähigkeit des Druckkopfes überprüft werden, wodurch in vorteilhafter Weise frühzeitig Fehler oder Abweichungen im Prozess dargestellt werden können. Ferner können durch die Erfassung der Sensorenwerte definierte Zielwerte angesteuert werden. Es ist auch möglich, dass Korrekturfaktoren berechnet und an die Steuer- und Regeleinheit übertragen werden. Diese können beispielsweise zu den Sollwerten addiert werden, um in vorteilhafter Weise eine gewünschte und konstante Ausbringung der Schmelze aus der Düse zu erreichen.
Die aktive Regelung der Heizelemente ermöglicht eine dynamische Regelung der Temperatur, die in vorteilhafter Weise sowohl das Heizen als auch das Kühlen beeinflusst. Wenn beispielsweise die Heizenergie des ersten Heizelements durch die Steuer- und Regeleinheit reduziert wird, läuft die Kühlung im Flansch weiterhin ab und diese entzieht der plastischen Phase des Materials die Energie, wodurch diese schlagartig abkühlt.
Ferner ermöglicht die aktive Regelung der Aktorvorrichtung und der Heizelemente, dass bedarfsgerecht Material aus der Düse ausgetragen werden kann, wobei unterschiedliche Bahngeschwindigkeiten des Druckkopfes durch das aktiv geregelte ausgetragene Volumen des Materials kompensiert werden kann. Die aktive Regelung bietet daher Vorteile gegenüber üblicher NC-Systeme, die unabhängig von ihrer Bahngeschwindigkeit immer das gleiche Volumen austragen, bzw. mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit die auszutragende Menge ansteuern ohne diesen Vorgang aktiv zu regeln.
Die Aktorvorrichtung zur Ansteuerung des Kolbens kann ein Elektromotor, beispielsweise mit einer mechanischen Übersetzung oder ein hydraulischer Antrieb mit einer hydraulischen Druckquelle sein.
Ein Elektromotor als Aktorvorrichtung hat gegenüber einem hydraulischen Antrieb ein geringeres Gewicht und sorgt dadurch in vorteilhafter Weise für eine hohe Dynamik des gesamten Druckers und des Druckprozesses, da weniger Masse beschleunigt werden muss.
Ein hydraulischer Antrieb erreicht in vorteilhafter Weise hohe Kräfte beim Ansteuern des Kolbens.
Die Zuführeinrichtung für das druckbare Material kann insbesondere als eine Zuführung für ein als Granulat vorliegendes Material, bzw. Ausgangsmaterial vorgesehen sein. Das Ausgangsmaterial kann insbesondere ein thermoplastisches Material sein.
Es wurde erkannt, dass durch den Einsatz von Granulat als Ausgangsmaterial gegenüber Druckköpfen, die Filamente aus thermoplastischem Material verwenden, spezifische Vorteile erzielt werden, insbesondere bei den Kosten für die Ausgangsmaterialien der Drucker.
Im Vergleich zu einem Druckkopf, der Granulat mit einer Förderschnecke transportiert, lässt sich der Druckkopf gemäß der Erfindung kompakter bauen. Dies wiederum hat zur Folge, dass der Druckkopf leichter und einfacher bewegbar ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Druckkopf sehr schnell, insbesondere mit Geschwindigkeiten von 100 mm/s oder mehr, bewegt werden soll.
Der Flansch umfasst eine Kühlvorrichtung, wodurch im Bereich der Zuführvorrichtung ein optimiertes Thermomanagement erzielt wird, so dass in vorteilhafter Weise ein Verkleben des Materials, bzw. des Granulats am Kolben vermieden wird. Ferner weist der Düsenkopf Heizelemente zur Umwandlung des Materials von einer festen Phase, insbesondere Granulat, in eine flüssige Phase auf. Die Heizelemente im Düsenkopf sorgen in vorteilhafter Weise für eine gezielte Einbringung der Heizleistung in das aufzuschmelzende Material. Die flüssige Phase, bzw. Schmelze ist anschließend durch eine Kolbenbewegung durch die Düse des Düsenkopfes ausbringbar.
Die Kolbenbuchse ist als separate Kolbenbuchse zur Führung des Kolbens ausgeführt und ermöglicht es, dass der Kolben direkt in der Kolbenbuchse geführt ist und nicht mehr im Gehäuse oder einem Zylinder des Druckkopfs. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass möglicher Verschleiß nicht mehr direkt an der Innenwand des Gehäuses oder des Zylinders auftritt, sondern innerhalb der Kolbenbuchse. Die Kolbenbuchse als separates Bauteil bietet den Vorteil, dass sie bei Bedarf auswechselbar ist. Zudem ist die Möglichkeit gegeben, dass zueinander abgestimmte Kolben und Kolbenbuchsen bei unterschiedlichen Durchmessern ohne weitere konstruktive Veränderungen, beispielsweise am Flansch und dem Düsenkopf, eingesetzt werden können.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Federkonstante der flüssigen Phase während eines Refillprozesses des Materials ermittelt und der Auswerteeinheit bereitgestellt, um den Korrekturfaktor zu berechnen.
Zur Bereitstellung von Schmelze kann das Umwandeln des Materials von einer festen Phase über eine plastische Phase in eine flüssige Phase folgende Schritte umfassen:

- Erhitzen des Materials durch Heizelemente des Düsenkopfes über Zustandszonen des Druckkopfes hinweg, wobei die Zustandszonen einen Aggregatzustand des Materials in Abhängigkeit seiner Temperatur Ts darstellen und der Aggregatzustand des Materials über die Zustandszonen hinweg von einer festen Phase über eine plastische Phase in eine flüssige Phase durch das Einbringen von Heizenergie der Heizelemente erfolgt und
- Vermischen des Materials während des Verdichtens.

Der Druckkopf weist, ausgehend vom oberen Teilbereich der Kolbenbuchse über ein Nierenstück bis zur Düse unterschiedliche Zustandszonen auf, wobei die Zustandszonen einen Aggregatzustand des Materials in Abhängigkeit seiner Temperatur T_S darstellen. Dabei ist der Aggregatzustand des Materials über die Zustandszonen hinweg von einer festen Phase über eine plastische Phase in eine flüssige Phase veränderbar.
Es ist von Vorteil, dass die Zustandszonen des Druckkopfs eine Kalte Zone mit Material in fester Phase, eine Plastifizierungszone mit Material in plastischer Phase, eine Schmelzezone und eine Prozesszone mit jeweils Material in flüssiger Phase und eine Mischzone mit Material in plastischer und flüssiger Phase umfassen.
Ferner sind die Kühlvorrichtung im Flansch und eine im Kolben integrierte Kolbenkühlung dafür vorgesehen, die Temperatur Ts der plastischen Phase des Materials in der Plastifizierungszone auch dann unterhalb einer Glasübergangstemperatur T_g zu halten, ab der das Material plastifizieren und in eine flüssige Phase übergehen würde.
Dies ist in vorteilhafter Weise gleichbedeutend damit, dass der Kolbenboden ausschließlich mit der festen Phase des Materials in Berührung kommt und nicht mit einer vollständig plastifizierten Phase. Die vollständig plastifizierte Phase hat eine zähe, klebrige Konsistenz mit einer hohen Neigung zur Oberflächenadhäsion. Wenn der Kolben mit dieser Phase in Berührung kommt, kann er damit verkleben, wodurch beispielsweise das Nachrieseln von frischem Granulat beim Zurückziehen des Kolbens behindert wird. Dieser Effekt wird in vorteilhafter Weise vermieden.
Ferner umfasst der Düsenkopf zwei Heizzonen.
In der ersten Heizzone sind ein Teilbereich der Plastifizierungszone, die Mischzone und ein Teilbereich der Schmelzezone angeordnet, wobei ein erstes Heizelement im oberen Düsenkopf derart angeordnet ist, dass die Heizenergie vom ersten Heizelement über den unteren Teilbereich der Kolbenbuchse, das Nierenstück und einem Teilabschnitt des oberen Düsenkopfs in das Material einbringbar ist.
In der zweiten Heizzone sind ein Teilbereich der Schmelzezone und die Prozesszone angeordnet, wobei ein zweites Heizelement im unteren Düsenkopf derart angeordnet ist, dass die Heizenergie vom zweiten Heizelement über den unteren Düsenkopf in die flüssige Phase des Materials einbringbar ist.
Die Anordnung der beiden Heizzonen im Düsenkopf sorgt für ein effektiveres Thermomanagement des Druckkopfes, da die Heizenergie der ersten Heizzone für ein vorteilhaftes Vorplastifizieren des Materials sorgt, ohne dass das Material in die flüssige Phase übergeht. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Kolben beim Verdichten nicht verklebt und der Druckkopf einwandfrei funktioniert. Dieser Effekt wird im Zusammenspiel mit der Kühlvorrichtung im Flansch optimiert. Ferner wird das Material in der plastischen Phase derart vorplastifiziert, dass die Aktorvorrichtung beim Vorschub des Kolbens einen geringeren Kraftaufwand erfordert, wodurch in vorteilhafter Weise kleinere Aktoren zum Vorschub des Kolbens verwendet werden können. Dies verringert die Kosten der Anlage und führt zu einer verbesserten Dynamik des Druckkopfes, da sich das Gewicht des Druckkopfes verringert. Dadurch kann der Druckkopf während einer sogenannten Bahnsteuerung zur Erzeugung eines Bauteils besser beschleunigt und abgebremst werden.
In der zweiten Heizzone wird die Schmelze erzeugt und die eingetragene Heizenergie sorgt für eine relativ konstante Schmelzetemperatur über den gesamten Schmelzeraum. Die Schmelzetemperatur kann innerhalb der zweiten Heizzone derart geregelt werden, dass sich das Material nicht zu stark erhitzt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise vermieden werden, dass durch eine zu hohe thermische Belastung beispielsweise Spaltprodukte entstehen, in erster Linie Gase, welche durch die im System vorherrschenden Drücke eine weitere Zersetzung des Materials beschleunigen und auch direkt dessen Qualität negativ beeinflussen.
Zur Vorbereitung des erfindungsgemäßen Verfahrens finden die Prozesse des Verdichtens und des Umwandelns zum größten Teil gleichzeitig statt, da während beider Prozesse Heizenergie über die beiden Heizzonen in den Druckkopf eingebracht wird.
Das Verdichten des Materials während des Verdichtungsprozesses kann folgende Schritte umfassen:

- Vorverdichten des Materials durch Vorschub des Kolbens,
- Verschließen der Düse,
- Verdichten des Materials durch Vorschub des Kolbens und
- Halten des Kolbens in einer Halteposition.

Das Vorverdichten des Materials durch Vorschub des Kolbens wird druck- und/oder kraftgesteuert durchgeführt, wobei bis zu einer Position vorverdichtet wird, die erreicht ist, wenn eine materialabhängige Steigung und/oder ein materialabhängiger Steigungswinkel einer Kraft- und/oder Druckkurve erreicht und/oder überschritten wird.
In einem nächsten Verfahrensschritt wird das Verdichten des Materials durch Vorschub des Kolbens bei verschlossener Düse druckgesteuert durchgeführt und dabei eine Halteposition angefahren, bis ein Peakdruck erreicht wird.
Während des Verdichtens ist die Düse verschlossen und eine Kolbennadel taucht derart in einen Schmelzeraum des Düsenkopfes ein, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase aus einem oberen Bereich des Schmelzeraums durch Öffnungen des Nierenstücks aus der Schmelzezone zurück in die Mischzone verdrängt wird, wodurch sich der Teil der flüssigen Phase mit der plastischen Phase aus der Plastifizierungszone in der Mischzone vermischt.
Der Kolben wird in der Halteposition gehalten, wobei während des Haltevorgangs der Druck und die Temperatur der flüssigen Phase gemessen werden und die Messwerte durch die Auswerteeinheit zur Funktionskontrolle des Verdichtungsprozesses überprüft werden.
Ferner ist während des Haltens des Kolbens in der Halteposition die Düse verschlossen und die Kolbennadel ist derart in den Schmelzeraum eingetaucht, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase aus dem oberen Bereich des Schmelzeraums durch die Öffnungen des Nierenstücks aus der Schmelzezone zurück in die Mischzone verdrängt wird, wodurch sich der Teil der flüssigen Phase mit der plastischen Phase aus der Plastifizierungszone in der Mischzone vermischt.
Das Vorverdichten wird durch kraft-, bzw. druckgesteuertes Ansteuern des Kolbens durch die Aktorvorrichtung ausgeführt, wobei sich die Zielposition des Kolbenbodens im ersten Drittel der Plastifizierungszone, ausgehend von der kalten Zone, befindet. Das Granulat wird in der Plastifizierungszone durch den Vorschub des Kolbens komprimiert, wobei sich gleichzeitig in der Schmelzezone zwischen dem Hohlraum und der Düse Schmelze befindet. Das plastifizierte Granulat wird dadurch in der Mischzone in die Schmelze hineingedrückt. Durch das Absenken des Kolbens und analog der Kolbennadel in Richtung Düse tritt bereits Schmelze aus der Düse aus, wodurch in vorteilhafter Weise erreicht wird, dass möglicherweise noch vorhandene Luft, bzw. Lufteinschlüsse aus dem Düsenkopf verdrängt werden. Dadurch wird die Düse frei.
Nach Erreichen der Zielposition des Vorverdichtens wird die Düse des Druckkopfes verschlossen.
Zum Verdichten des Materials wird der Kolben durch die Aktorvorrichtung druckgesteuert vorgeschoben bis ein definierter Peakdruck und damit eine Peakdruckposition erreicht wird. Dabei ist die Düse verschlossen und die Kolbennadel taucht derart in den Schmelzeraum ein, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase aus dem oberen Bereich des Schmelzeraums durch die Öffnungen des Nierenstücks aus der Schmelzezone zurück in die Mischzone verdrängt wird, wodurch sich der Teil der flüssigen Phase mit der plastischen Phase aus der Plastifizierungszone in der Mischzone vermischt.
Anschließend wird die sogenannte Peakdruckposition für einen materialabhängigen vordefinierten Zeitraum gehalten, daher ist die Peakdruckposition auch die Halteposition des Druckkopfes.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist während des Haltens des Kolbens in der Halteposition die Düse verschlossen und die Kolbennadel ist derart in den Schmelzeraum eingetaucht, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase aus dem oberen Bereich des Schmelzeraums durch die Öffnungen des Nierenstücks aus der Schmelzezone zurück in die Mischzone verdrängt wird, wodurch sich der Teil der flüssigen Phase mit der plastischen Phase aus der Plastifizierungszone in der Mischzone vermischt.
Durch den Haltevorgang wird Restluft verdrängt und Schmelze wird in der Mischzone C homogenisiert. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ein besserer Energiefluss erreicht und ein homogeneres Material erzeugt. Die zurückfließende Schmelze wird plastisch und die Granulatanteile, welche in das Nierenstück geschoben werden, werden schmelzeförmig. Dadurch entsteht ein Vermischen des Materials.
Der hier beschriebene Haltevorgang dient zudem in vorteilhafter Weise zur Analyse und zu einem Systemcheck des Druckkopfes, da sich folgende Effekte bei der Druckmessung des Drucks ergeben können. Ein Druckanstieg des Drucks in der Schmelze würde bedeuten, dass die Schmelze ausgast, weil beispielsweise die Temperatur der Schmelze zu hoch ist. Zu hohe Schmelzetemperaturen sind nicht gewünscht, da Luftplasma entstehen kann, was zu einem chemischen Zerfall führen würde.
Ein starker Druckabfall des Schmelzedrucks könnte beispielsweise bedeuten, dass das System des Druckkopfs undicht ist oder noch zu viel Luft im System war. Dieser Effekt könnte auftreten, wenn beispielsweise zu viel kaltes Material im Hohlraum vorhanden war, weil das Temperaturmanagement des Druckkopfes nicht optimal eingestellt war.
Zur weiteren Vorbereitung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Ermitteln einer Federkonstante der flüssigen Phase folgende Schritte:

- druckgesteuertes Zurückfahren von der Halteposition nach Beendigung des Haltens auf eine Zielposition, die erreicht wird, wenn der Schmelzedruck einen Zieldruck erreicht,
- Ermitteln des Druckunterschieds zwischen dem Peakdruck und dem Zieldruck,
- Ermitteln der Strecke zwischen der Halteposition und der Zielposition und
- Berechnung der Federkonstante der flüssigen Phase.

Die Federkonstante ergibt sich aus der Kompressibilität der Schmelze und führt zu einem Korrekturfaktor, bzw. Formfaktor, der zur exakten Ansteuerung des Kolbens durch die Aktorvorrichtung benötigt wird.
Aufgrund der Kompressibilität der Schmelze entsprechen beispielsweise 1,2 Volumeneinheiten eines geometrischen, durch den Kolben zurückgelegten Kolbenwegs, 1,0 Volumeneinheiten eines ausgetragenen Volumens der Schmelze. Ohne Kompressibilität wäre das Verhältnis 1:1.
Durch die Ermittlung der Federkonstante der Schmelze wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Aktorvorrichtung den Kolben geregelt ansteuern kann, wobei die Federkonstante es unter anderem ermöglicht, dass der reale Austrag der Schmelze den korrekten, berechneten Volumenstrom der Schmelze in Abhängigkeit einer Bahngeschwindigkeit des bewegten Druckkopfes beim Drucken erreicht. Das heißt, dass an jeder Druckposition bei jeder Bahngeschwindigkeit des Druckkopfes die jeweils benötigte Menge Schmelze auf das Bauteil ausgebracht wird.
Ferner umfasst die Druckvorbereitung der flüssigen Phase folgende Schritte:

- aktives Dekomprimieren der flüssigen Phase durch Zurückziehen des Kolbens in Abhängigkeit der Federkonstante,
- Öffnen der Düse und
- Komprimierung der flüssigen Phase zu Druckbeginn.

Beim aktiven Dekomprimieren wird der Kolben in Abhängigkeit der ermittelten Federkonstante um ca. 1 bis 2 Millimeter zurückgezogen, wodurch in vorteilhafter Weise erreicht wird, dass keine Schmelze aus der Düse, bzw. Düsenöffnung austritt, wenn diese dabei geöffnet wird. Dies wäre bei einem weiteren Halten der Position aufgrund des vorhandenen offenen Systems durch den Einfluss der Schwerkraft der Fall. Gleichzeitig wird die Schmelze analog einer Feder entlastet.
Anschließend beginnt die weitere Druckvorbereitung durch Kompression.
Das Gesamtsystem des Druckkopfes ist ein kompressibles System, da die Schmelze beispielsweise eine Kompression von ca. 20% aufweisen kann. Daher entspricht das durch den Vorschub des Kolbens verdrängte Volumen nicht dem Volumen des ausgetragenen Materials, wodurch sich ungenaue und unregelmäßige Austräge ergeben können. Dies wird jedoch in vorteilhafter Weise durch die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden.
Die Ausbringung der flüssigen Phase, das heißt das Drucken, wird erfindungsgemäß druckgeregelt durchgeführt, wobei:

- der Druck im Schmelzeraum permanent gemessen wird,
- der Kolben aktiv über die Steuer- und Regeleinheit angesteuert wird, wobei der Vorschub des Kolbens druckabhängig um einen Korrekturfaktor angepasst wird, wobei sich der Korrekturfaktor aus der Federkonstante der flüssigen Phase des Materials ergibt.

Der gemessene Druck entspricht dem Druck, der durch Austrag der flüssigen Phase auf das Bauteil entsteht und der Korrekturfaktor ist von Vorteil, um die Kompressibilität der flüssigen Phase auszugleichen.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird der Kolben zur Ausbringung der flüssigen Phase aus der Düse über die Aktorvorrichtung von der Steuer- und Regeleinheit angesteuert, um einen vorgegebenen Sollweg zurückzulegen und diesem Sollweg wird entsprechend einer Druckveränderung im Schmelzeraum ein additiver Sollwert hinzugefügt oder abgezogen.
Die Kompression der Schmelze im Schmelzeraum zu Druckbeginn wird zu einem Teil über Reibung an der Düsenöffnung der Düse beim „Herauspressen“ der Schmelze erzeugt und zu einem Teil über den Widerstand beim Drucken auf das Bauteil oder einen Substratträger, auf dem das Bauteil aufgebaut wird.
Ein gleichmäßiger Austrag der Schmelze wird durch eine intelligente Regelung des Druckkopfes erreicht, wobei asynchrone, um den Korrekturfaktor angepasste Bewegungen des Kolbens durch den Einsatz eines elektronischen Getriebes an der Aktorvorrichtung erfolgen. Der Korrekturfaktor, der sich insbesondere aus der ermittelten Federkonstante der Schmelze ergibt, wird sozusagen in das System eingemischt. Daher weist das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise keine Einschränkung auf synchrone Bewegungen analog üblicher NC Systeme auf.
Eine elektrisch angetriebene Aktorvorrichtung erweist sich für diesen Fall als dynamisch und sehr effektiv.
Ferner ermöglicht das Verfahren in vorteilhafter Weise ein Erreichen einer gleichbleibenden konstanten Bahndicke ab dem ersten Tropfen.
Ferner ergeben sich Vorteile aus dem Aufbau des Druckkopfes, wobei die Kolbenbuchse zwischen dem oberen und unteren Teilbereich einen Anschlag aufweisen kann, durch den der Flansch und der Düsenkopf voneinander getrennt sind. Die Kolbenbuchse und insbesondere der Anschlag trennen somit in vorteilhafter Weise den gekühlten Flansch von dem beheizten Düsenkopf, wodurch diese nicht miteinander in Berührung stehen.
Ferner kann am unteren Teilbereich der Kolbenbuchse ein Nierenstück angeordnet sein, wobei das Nierenstück eine zentrisch verlaufende Bohrung zur Aufnahme einer Kolbennadel des Kolbens aufweist.
Der Kolben des Druckkopfes umfasst einen ersten Kolbenteil zur Anbindung an der Aktorvorrichtung, einen Kolbenkopf zur Anbindung am ersten Kolbenteil und zur Aufnahme der Kolbennadel. Der erste Kolbenteil ist bevorzugt als Aluminiumhohlkolben ausgebildet, wodurch Kühlmittel durch das erste Kolbenteil geleitet werden kann und dadurch in vorteilhafter Weise eine Kolbenkühlung erreicht wird. Der Kolbenkopf weist an der zur Düse gewandten Seite eine Unterseite auf, wobei die Kolbennadel aus der Mitte der Unterseite herausragt. Die Fläche der Unterseite des Kolbenkopfes abzüglich der virtuellen Fläche der Kolbennadel bildet eine Kolbenfläche zur Erzeugung eines Drucks auf das Material bildet. Die Unterseite des Kolbenkopfes wird durch die Kolbenkühlung mitgekühlt und verringert dadurch lokal die Viskosität der Schmelze, bzw. des plastischen Materials am Kolbenboden. Dadurch wird verhindert, dass flüssige Schmelze in Richtung der Antriebsvorrichtung einfließen kann, wodurch in vorteilhafter Weise ein Verklemmen des Kolbens in der Kolbenbuchse als auch ein Eindringen der Schmelze in die Antriebsvorrichtung verhindert wird. Zudem löst sich das Material beim Zurückziehen einfacher vom Kolbenboden, bzw. der Unterseite des Kolbenkopfes, so dass beim Erreichen eines Start-, bzw. Ausgangspunktes des Kolbens ein einfaches Nachfüllen von Material in einer festen Phase, bzw. von Granulat möglich ist, ohne das Restmaterial am Kolbenboden haftet.
An der Unterseite des Kolbenkopfes, bzw. am Kolbenboden ist bevorzugt ein Temperatursensor angebracht. Aufgrund dieser Anordnung des Temperatursensors ist ein kolbenpositionsabhängiges Thermomanagement des Druckkopfes möglich, wodurch ein schnelleres Aufheizen des Materials erreicht wird, ohne das Schmelze mit der Unterseite des Kolbenkopfes in Kontakt kommt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine Beschleunigung eines Befüllvorganges des Druckkopfes erreicht werden.
Der Kolbenkopf ist als zylindrisches Bauteil ausgeführt und bevorzugt aus einem thermisch resistenten Material hergestellt. Die Kombination, dass die Ausführung des ersten Kolbenteils aus Aluminium und des Kolbenkopfes aus beispielsweise Stahl ausgeführt ist, erweist sich als vorteilhaft, da so der Kolben einen elastischen oberen Bereich zur Aufnahme der mechanischen Spannungen und einen thermisch resistenten unteren Bereich im Bereich des erhitzten Materials aufweist.
Die Kolbennadel ragt je nach Kolbenposition in die Bohrung des Nierenstücks nur teilweise hinein oder ganz hindurch, wodurch die Kolbennadel in der zentrischen Bohrung des Nierenstücks in vorteilhafter Weise geführt wird.
Das Nierenstück weist konzentrisch angeordnete Öffnungen auf, wobei diese eine fluidische Verbindung zwischen einen in der Kolbenbuchse angeordnetem Hohlraum und einen in einem unteren Teil des Düsenkopfs angeordnetem Schmelzeraum bilden.
Der Hohlraum ist innerhalb der Kolbenbuchse angeordnet und wird durch ein Volumen gebildet, dessen äußere Fläche aus der Innenseite der Kolbenbuchse, der Außenseite der Kolbennadel, der Oberseite des Nierenstücks und der Unterseite des Kolbens gebildet ist.
Innerhalb des Hohlraums wird das Material, bzw. das Granulat durch das Verfahren des Kolbens über die Unterseite des Kolbenkopfs, bzw. die Kolbenfläche verdichtet. Während der Verdichtung des Materials ist das Thermomanagement des Druckkopfs derart eingestellt, dass sich innerhalb des Hohlraums keine flüssige Phase des Materials, bzw. keine Schmelze bildet, sondern das Material als plastische Phase ausgebildet wird. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass kein plastifiziertes Material an der Unterseite des Kolbens anhaftet. Jedoch wird während der Verdichtung ein Teil der flüssigen Phase, bzw. Schmelze im Schmelzeraum durch die in den Schmelzeraum eindringende Kolbennadel durch die konzentrisch angeordneten Öffnungen des Nierenstücks aus dem Schmelzeraum heraus in den Hohlraum der Kolbenbuchse gedrückt. Dabei vermischen sich Teile der Schmelze mit Teilen der plastischen Phase. Dabei gibt die Schmelze Energie in die plastische Phase ab wodurch in vorteilhafter Weise ein homogeneres Material erzeugt wird. Das Nierenstück bildet somit einen Mischer, bzw. einen statischen Mischer, da außer der Kolbenbewegung in vorteilhafter Weise keine weiteren beweglichen Teile zur Vermischung der plastischen mit der flüssigen Phase nötig ist. Die Ausgestaltung des Nierenstücks sorgt somit in vorteilhafter Weise für eine Blendenwirkung, die zu einer besseren Durchmischung des Materials, bzw. der Schmelze mit dem plastifiziertem Material führt.
Das Nierenstück leitet die Heizenergie des Heizelements aus dem Düsenkopf sowohl in die Schmelze als auch in die Kolbennadel, was in vorteilhafter Weise für ein verbessertes Energiemanagement beim Aufheizen der Schmelze sorgt.
Das Nierenstück kann ferner als ein separates Bauteil ausgeführt oder einstückig mit der Kolbenbuchse ausgebildet sein.
Ferner ist im Schmelzeraum ein Drucksensor für den Druck p_L, und/oder ein Temperatursensor für die Temperatur T_L der flüssigen Phase angeordnet.
Die Messung des Drucks p_L ist der primäre Parameter, der über die Ausbringung, bzw. den Austrag oder auch Massenstrom an Schmelze aus der Austrittsöffnung entscheidet. Eine zusätzliche Messung der Temperatur T_L ermöglicht es, bei der Bestimmung des Massenstroms Q auch die Temperaturabhängigkeit der Viskosität des Materials zu berücksichtigen. Durch den Kolbenvorschub kann die zu dosierende Menge exakt geregelt werden. Für die Qualität des hergestellten Bauteils, bzw. Objekts ist die Kontrolle der Temperatur T_L, insbesondere in Form einer konstanten und genauen Regelung, sogar wichtiger, um eine thermische Degradation des Materials zu vermeiden.
Zudem ist an der Aktorvorrichtung und/oder am Kolben ein Wegmesssystem für die Position s des Kolbens, und/oder ein Sensor für die vom Kolben auf das Material ausgeübte Kraft F oder für einen auf den Kolben ausgeübten Hydraulikdruck p_H, vorgesehen.
Der Vorschub des Kolbens ist ein Maß für die Menge an auszutragendem Material. Diese Menge kann unter anderem über das Wegmesssystem kontrolliert werden. Weiterhin korreliert die Kraft F unmittelbar mit dem Druck in dem Material.
Ferner ist am Kolben, insbesondere an der Unterseite des Kolbenkopfes des Kolbens ein Temperatursensor für die Temperatur T_K der plastischen Phase des Materials angeordnet.
Aufgrund dieser Anordnung des Temperatursensors ist ein kolbenpositionsabhängiges Thermomanagement des Druckkopfes möglich, wodurch ein schnelleres Aufheizen des Materials erreicht wird, ohne das Schmelze mit der Unterseite des Kolbenkopfes in Kontakt kommt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine Beschleunigung eines Befüllvorganges des Druckkopfes, bzw. eine Reduzierung der benötigten Zeit des Befüllvorganges erreicht werden.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Figurenliste
Es zeigen:

1 einen Druckkopf gemäß der Erfindung;
2 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Druckkopfes;
3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Druckkopfes;
4 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Druckkopfes;
5 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Druckkopfes mit einem Druckverlauf;
6 verschiedene Positionen eines Kolbens des erfindungsgemäßen Druckkopfes und
7 Diagramme eines Kolbenwegs, einer Bahngeschwindigkeit des Druckkopfes und eines Druckverlaufs.

Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen Druckkopf 100 für einen 3D-Drucker, umfassend eine in einem Gehäuse 1 des Druckkopfes 100 angeordnete Aktorvorrichtung 110 zur Ansteuerung eines Kolbens 3, eine Zuführeinrichtung 2 für ein druckbares Material 10, ein am Gehäuse 1 und der Zuführeinrichtung 2 angeordneten Flansch 5 mit einer Kühlvorrichtung 50, ein Düsenkopf 6 mit Heizelementen 61, 63 zur Umwandlung des Materials 10 von einer festen Phase 10 über eine plastische Phase 11 in eine flüssige Phase 12 und eine Düse 8 zur Ausbringung der flüssigen Phase 12 des Materials 10 aus dem Düsenkopf 6. Der Druckkopf 100 umfasst eine separate Kolbenbuchse 4 zur Führung des Kolbens 3.
Der durch die Kühlvorrichtung 50 innengekühlte Flansch 5 sorgt für eine thermische Trennung des unteren beheizten Bereichs des Druckkopfes 100 zur Aktorvorrichtung 110, bzw. zum Antrieb des Kolbens 3.
Der Kolben 3 umfasst ein erstes Kolbenteil 31 zur Anbindung des Kolbens 3 an der Aktorvorrichtung 110, einen Kolbenkopf 34, der an dem ersten Kolbenteil 31 befestigt ist und in Richtung der Düse 8 eine Kolbennadel 32 aufnimmt. Am Kolben 3, bzw. an einer Unterseite 35 des Kolbenkopfes 34 ist ein Temperatursensor 36 zur Messung der Temperatur T_K der plastischen Phase 11 des Materials angeordnet. Die Unterseite 35 des Kolbenkopfes 34 bildet einen Kolbenboden 35. Der erste Kolbenteil 31 ist bevorzugt als Aluhohlkolben ausgebildet, wobei dieser im Inneren einen Hohlraum aufweist, der als Kühlkanal ausgebildet ist. Am unteren Ende des ersten Kolbenteils 31 ist eine Kolbenkühlung 33 angeordnet, die über ein Kühlmittelsystem gekühlt wird.
Die Kolbenkühlung 33 sorgt für eine Erstarrung des Materials 11, 12 am Kolbenboden 35 und dichtet dadurch den Kolben 3 in Richtung der Aktorvorrichtung 110 ab, bzw. verhindert dadurch ein Einfließen flüssiger Schmelze 12 in Richtung der Aktorvorrichtung 110. Als Kühlmittel wird bevorzugt eine Kühlflüssigkeit eingesetzt, wobei diese über Anschlüsse und flexible Leitungen durch das Gehäuse 1 in einen Kühlanschluss 37 des ersten Kolbenteils 31 gefördert wird.
Die Kühlvorrichtung 50 im Flansch 5 wird durch das gleiche Kühlmittelsystem mit Kühlmittel versorgt.
Durch die Abkühlung des Materials 11, 12 am Kolbenboden 35 verringert sich lokal die Viskosität des Materials 11, 12, wodurch sich dieses beim Zurückziehen des Kolbens 3 von diesem löst, ohne Fäden zu ziehen. Dabei wird Raum für neues Material 10 geschaffen.
1 zeigt den Kolben 3 in einer Ausgangsposition zur Befüllung des Druckkopfes 100 mit druckbarem Material 10, welches über die Zuführeinrichtung 2 in den Druckkopf 100 zugeführt wird.
Die Zuführeinrichtung 2 ist trichterförmig ausgebildet, wobei das Material 10, das bevorzugt ein Granulat ist, von oben in eine Öffnung der Zuführeinrichtung 2 eingefüllt wird. Das Material 10 gelangt durch Schwerkraft bis zu einer Öffnung 21, bzw. einem Öffnungsquerschnitt zur Kolbenbuchse 4. Im unteren Bereich der Zuführeinrichtung 2 oberhalb der Öffnung 21, ist ein Luftkanal 20 angeordnet. Dieser wird durch ein pneumatisches Ventil 22 mit Luftimpulsen beaufschlagt. Das pneumatische Ventil 22 und der Luftkanal 20 bilden eine Einblasvorrichtung, die das Granulat 10 intervallartig derart mit Luftstöße beaufschlagt, dass dieses in Richtung des weiter oben gelegenen Bereichs der Zuführeinrichtung 2 geschleudert wird und sich dadurch die einzelnen Granulatstücke 10 voneinander lösen. Beim Ausschalten des Luftstroms fällt das sich im unteren Bereich der Zuführeinrichtung 2 befindliche Granulat 10 bei geöffnetem Öffnungsquerschnitt 21 in die Kolbenbuchse 4.
Die Einblasvorrichtung der Zuführeinrichtung 2 verhindert dadurch ein Verklemmen der Granulatstücke 10, wodurch ein Verstopfen der Zuführvorrichtung 2 verhindert wird und sie sorgt für ein sicheres Auffüllen der Kolbenbuchse 4 mit Granulat 10. Ferner können kleinere Durchmesser im Einlass der Zuführeinrichtung 2 verwendet werden.
Der Prozess des Nachfüllens erfordert das Hinterblasen des Granulats 10, wodurch ein Effekt des Anhebens des Granulats entsteht, so dass dieses anschließend in den Druckkopf 100 rutscht. Das Aufwirbeln ist für einen automatisierten Einsatz notwendig und durch den entstehenden Schwerkraftimpuls, bzw. Schlag rutscht das Granulat 10 nach.
Die Kolbenbuchse 4 weist ein in den Flansch 5 hineinragenden oberen Teilbereich 41 und ein in einen oberen Teilbereichs 60 des Düsenkopfes 6 hineinragenden unteren Teilbereich 42 auf. Zwischen dem oberen 41 und unteren 42 Teilbereich der Kolbenbuchse 4 ist ein Anschlag 43 angeordnet durch den der Flansch 5 und der Düsenkopf 6 voneinander getrennt sind. Die Öffnung 21, bzw. der Öffnungsquerschnitt ist im oberen Teilbereich 41 der Kolbenbuchse 4 angeordnet und weist an der Innenfläche der Kolbenbuchse 4 einen Anschnitt 44 auf. Der Anschnitt 44 bewirkt, dass beim Schließen des Öffnungsquerschnitts 21 durch den Kolben 3 Granulat 10 zwischen dem Anschnitt 44 und dem Kolbenboden 35 abgeschert wird, bis der Kolbenboden 35 eine Position unterhalb des Anschnitts 44 erreicht hat.
Die Kolbenbuchse 4 weist am Anschnitt 44 einen stumpfen Winkel auf, wobei dieser scharfkantig und gehärtet ist. Dabei ist eine lokale Härtung von Vorteil. Der Anschnitt 44 kann in einer alternativen Ausführung auch durch einen separaten Einsatz, analog einer Wendeplatte, gebildet sein.
Die Bauform des Anschnitts 44 sorgt in vorteilhafter Weise für eine Verringerung der notwendigen Kräfte zum Abscheren des Granulats 10, wodurch Energie gespart werden kann und die Materialen der Kolbenbuchse 4 und des Kolbens 3 weniger verschleißanfällig sind. Die Kante des Anschnitts 44 ist dabei extrem verschleißanfällig.
Am unteren Teilbereich 42 der Kolbenbuchse 4 ist ein Nierenstück 7 angeordnet ist, wobei das Nierenstück 7 eine zentrisch verlaufende Bohrung 70 zur Aufnahme einer Kolbennadel 32 des Kolbens 3 aufweist.
Das Nierenstück 7 weist ferner konzentrisch angeordnete Öffnungen 71 auf, die eine fluidische Verbindung zwischen einem in der Kolbenbuchse 4 angeordnetem Hohlraum 40 und einem in einem unterem Teil 62 des Düsenkopfs 6 angeordnetem Schmelzeraum 81 bilden. Der Hohlraum 40 ist innerhalb der Kolbenbuchse 4 angeordnet und wird durch die Innenseite der Kolbenbuchse 4, der Außenseite der Kolbennadel 32, der Oberseite des Nierenstücks 7 und der Unterseite 35 des Kolbens 3 gebildet.
Eine bevorzugte Aufgabe des Nierenstücks 7 ist die Wärmeleitung, bzw. Energieübertragung von den Heizelementen 61, 63 des Düsenkopfes 6 in die flüssige Phase 12 des Materials, bzw. der Schmelze 12. Dies wird insbesondere durch eine Erhöhung der Kontaktfläche zum Hohlraum 40 und somit der plastischen Phase 11 des Materials erreicht.
Eine weitere Aufgabe ist die Führung der Kolbennadel 32, wobei der Kontakt der Kolbennadel 32 innerhalb der Bohrung 70 zusätzlich für ein Anheizen der Kolbennadel 32 auf die benötigte Prozesstemperatur sorgt. Die Endgültige Prozesstemperatur wird erst im Düsenkopf 6 zu Düse 8 hin erreicht.
Während eines Befüllvorganges des Druckkopfes 100 wird die Düse 8 bei Bedarf verschlossen und beim Ansteuern des Kolbens 3 durch die Aktorvorrichtung 110 wird das sich im Hohlraum 40 und Schmelzeraum 81 angeordnete Material 10, 11, 12 durch den Kolbenvorschub komprimiert.
Der Düsenkopf 6 umfasst die Heizelemente 61, 63 des Druckkopfes 100, wobei ein erstes Heizelement 61 im oberen Düsenkopf 60 angeordnet ist und ein zweites Heizelement 63 im unteren Düsenkopf 62 angeordnet ist. Der obere Düsenkopf 60 weist einen Teilabschnitt 64 auf, der zwischen dem oberen 60 und dem unteren 62 Düsenkopf angeordnet ist und an dem das Nierenstück 7 aufliegt. Im Bereich der Düse 8 ist ein Kühlring 84 an dem Düsenkopf 6 angeordnet. Dieser kühlt das zu druckende Bauteil und es schirmt das Bauteil thermisch vom Druckkopf 100 ab.
Die Heizelemente 61, 63 im Düsenkopf 6 erhitzen das Material 10, 11, 12 innerhalb des Hohlraums 40, des Nierenstücks 7 und des Schmelzeraums 82 bis die flüssige Phase 12 des Materials ihre Prozesstemperatur erreicht hat und aus der Düse 8 ausgetragen werden kann. Der Schmelzeraum 82 ist derart ausgebildet, dass er sich von dem Teilabschnitt 64 des oberen Düsenkopfes 60 bis zur Düse 8 verjüngt. Der konische Zulauf des Schmelzeraums 81 ermöglicht eine Steigerung des Volumenstroms und verhindert die Ablagerungen des Materials an der Innenwand des Düsenkopfs 6. Dadurch, dass im Verhältnis zu einem zylinderförmigen Schmelzeraum 81, weniger Material 12, bzw. Volumen in einem konisch zulaufenden Schmelzeraum 81 ist, wird der Mischprozess weiter optimiert. Die Kolbennadel 32 muss dadurch weniger Volumen verdrängen, um beim Verdichten Teile der Schmelze 12 durch die Öffnungen 71 des Nierenstücks 7 aus dem Schmelzeraum 81 in den Hohlraum 40 zurückzudrängen.
Ferner umfasst der Druckkopf 100 weitere Sensoren, wobei im Schmelzeraum 81 ein Drucksensor 83 für den Druck p_L, und ein Temperatursensor 82 für die Temperatur T_L der flüssigen Phase 12 des Materials angeordnet ist. Weitere Sensoren sind an der Aktorvorrichtung 110 angeordnet, wobei ein Wegmesssystem 111 für die Position s des Kolbens 3, und ein Sensor 112 für die vom Kolben 3 auf das Material 10, 11 ausgeübte Kraft F oder für einen auf den Kolben 3 ausgeübten Hydraulikdruck p_H, vorgesehen sind. In einer alternativen Ausführung können die Sensoren 111, 112 auch am Kolben 3 des Druckkopfes 100 angeordnet sein.
2 zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Druckkopfes 100 in einer um 90° gedrehten Ansicht, wobei ausgehend vom oberen Teilbereich 41 der Kolbenbuchse 4 über das Nierenstück 7 bis hin zur Düse 8 Zustandszonen A, B, C, D, E des mit Material 10, 11, 12 befüllten Druckkopfes 100 während des Betriebs dargestellt sind. Die Zustandszonen A, B, C, D, E stellen einen Aggregatzustand des Materials 10 in Abhängigkeit seiner Temperatur Ts dar, wobei der Aggregatzustand des Materials 10 über die Zustandszonen A, B, C, D, E hinweg von einer festen Phase 10 über eine plastische Phase 11 in eine flüssige Phase 12 veränderbar ist.
Die Temperatur T_S, bzw. der Temperaturverlauf des Materials 10, 11, 12 innerhalb des Druckkopfes 100 ist in einem über dem Druckkopf 100 dargestellten Diagramm gezeigt, wobei diese über den Weg s, bzw. der Länge eines Arbeitsbereichs 120 des Druckkopfes 100 dargestellt ist.
Die Zustandszonen A, B, C, D, E des Druckkopfes 100 umfassen eine Kalte Zone A mit Material in fester Phase 10, eine Plastifizierungszone B mit Material in plastischer Phase 11, eine Schmelzezone D und eine Prozesszone E mit jeweils Material in flüssiger Phase 12. Ferner umfassen die Zustandszonen eine Mischzone C mit Material in plastischer 11 und flüssiger 12 Phase.
Die Kühlvorrichtung 50 im Flansch 5 und die im Kolben 3 integrierte Kolbenkühlung 33 sind vorgesehen, um die Temperatur Ts der plastischen Phase 11 des Materials in der Plastifizierungszone B auch dann unterhalb einer Glasübergangstemperatur T_g zu halten, ab der das Material 11 plastifiziert und in eine flüssige Phase 12 übergeht. Die Plastifizierungszone B mit dem Material in plastischer Phase 11 beschreibt in den hier gezeigten Ausführungen einen Zustand des Materials, bzw. des Granulats in dem sich die Viskosität des Granulats bereits verändert, wodurch ein Verdichtungs- und ein Mischprozess optimiert werden, jedoch geht die plastische Phase 11 des Granulats gerade noch nicht in die flüssige Phase 12 über.
Ferner umfasst der Düsenkopf 6 zwei Heizzonen 65, 66.
In der ersten Heizzone 65 sind ein Teilbereich der Plastifizierungszone B, die Mischzone C und ein Teilbereich der Schmelzezone D angeordnet, wobei ein erstes Heizelement 61 im oberen Düsenkopf 60 derart angeordnet ist, dass die Heizenergie vom ersten Heizelement 61 über den unteren Teilbereich der Kolbenbuchse 42, das Nierenstück 7 und einem Teilabschnitt 64 des oberen Düsenkopfs in das Material 10, 11, 12 einbringbar ist.
In der zweiten Heizzone 66 sind ein Teilbereich der Schmelzezone D und die Prozesszone E angeordnet, wobei ein zweites Heizelement 63 im unteren Düsenkopf 62 derart angeordnet ist, dass die Heizenergie vom zweiten Heizelement 63 über den unteren Düsenkopf 62 in die flüssige Phase 12 des Materials einbringbar ist.
Aus dem Diagramm ist zu entnehmen, dass sich die Temperatur Ts des Materials 10, 11, 12 stetig über den Weg s des Arbeitsbereichs 120 des Druckkopfes 100 erhöht. In der Kalten Zone A ist die Wirkung der Kühlvorrichtung 50 des Flansches 5 vorherrschend, wodurch das Granulat 10 nur langsam über den Weg s erwärmt wird. Ab der Plastifizierungszone B beginnt der Einfluss der ersten Heizzone 65 mit dem ersten Heizelement 61 zuzunehmen, wobei die Temperaturkurve bis zum Erreichen der Glasübergangstemperatur T_g stark ansteigt und ab dort die Mischzone C beginnt. Die Temperatur Ts steigt in der Mischzone C mit einer geringeren Steigung weiter an bis die Schmelzezone D erreicht wird. Dort beginnt die Einflusszone der zweiten Heizzone 66 mit dem zweiten Heizelement 63, wobei dieses die Temperatur Ts der Schmelze 12 stark ansteigen lässt, bis die Prozesstemperatur der Schmelze 12 in der Prozesszone E erreicht wird und druckfähige Schmelze 12 entstanden ist.
Die Temperatur T_S muss so eingestellt sein, dass das Granulat 10 beim Befüllen in den Hohlraum 40 hineinrieseln kann, ohne zu verkleben aber auch derart vorgewärmt wird, dass ein Abscheren des Materials 10, 11 am Anschnitt 44 mit möglichst wenig Kraftaufwand möglich ist. Das Temperaturmanagement des Druckkopfes 100 ist dabei so eingestellt, dass die Kühlvorrichtung 50 im Flansch 5 eine Kühltemperierung von ca. 40°C in die Kolbenbuchse 4 und dadurch in das Material 10, 11 einbringt und das erste Heizelement 61 der ersten Heizzone 65 eine Heiztemperierung von ca. 30°C unterhalb der Glasübergangstemperatur T_g, bzw. der Schmelzetemperatur des Materials 10, 11, 12.
Dieser Effekt wird durch die Kolbenkühlung 33 unterstützt. Durch die Abkühlung des Materials 11, 12 am Kolbenboden 35 verringert sich lokal die Viskosität des Materials 11, 12, wodurch sich dieses beim Zurückziehen des Kolbens 3 von diesem löst, ohne Fäden zu ziehen. Dabei wird Raum für neues Material 10 geschaffen, wenn der Kolben 3 den Öffnungsquerschnitt 21 zur Zuführeinrichtung 2 freigibt.
Der Temperatursensor 36 am Kolbenboden 35 misst die Temperatur T_K an der Kontaktstelle des Kolbens 3 zum Material 10, 11, wodurch die Kühl- und die Heizleistung des Druckkopfes 100 berechnet werden kann, so dass die Glasübergangstemperatur T_g des Materials 10 nicht überschritten wird. Aufgrund der Anordnung des Temperatursensor 36, bzw. Temperaturfühlers am Kolbenboden 35 ist ein kolbenpositionsabhängiges Regeln der Heizelemente 61, 63 und dadurch ein Einstellen der Temperatur Ts möglich. Dadurch wird ein schnelleres Aufheizen des Materials 11, 12 erreicht. Das Thermomanagement des Druckkopfes 100 ermöglicht so auch eine Verarbeitung von Kunststoffen mit niedriger Schmelztemperatur von kleiner 60 bis 80°C.
Während eines Verdichtungsprozesses zur Herstellung von flüssiger Phase 12 des Materials in der Prozesszone E ist die Düse 8 verschlossen. Die Düse 8 kann beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Verschlussventil verschlossen werden, oder durch das Positionieren des Druckkopfes 100 auf eine Platte im Bauraum des Druckers. Ferner kann auch ein bereits gedruckter Bereich eines Bauteils 9 angefahren werden und die Düse 8 dadurch verschlossen werden. Die Kolbennadel 32 ist während des Verdichtungsprozesses derart in den Schmelzeraum 81 eingetaucht und bewegt sich weiter in diesen hinein, dass dadurch Teile der flüssigen Phase 12 aus der Schmelzezone D zurück in die Mischzone C verdrängt werden, wodurch sich in der Mischzone C die flüssige Phase 12 mit der plastischen Phase 11 aus der Plastifizierungszone B vermischt. Die flüssige Phase 12 aus der Schmelzezone D wird dabei aus dem oberen Bereich des Schmelzeraums 81 durch die Öffnungen 71 des Nierenstücks 7 zurück in den Hohlraum 40 der Kolbenbuchse 4 in die Mischzone C verdrängt.
3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Druckkopfes 100 mit einer Steuer- und Regeleinheit 113 für eine aktive Regelung der Aktorvorrichtung 110 zum Verfahren des Kolbens 3 und einer Auswerteeinheit 114, die dazu ausgebildet ist, die Messwerte der Sensoren 36, 82, 83, 111, 112 auszuwerten und die Ergebnisse an die Steuer- und Regeleinheit 113 zur aktiven Regelung der Aktorvorrichtung 110 und zur aktiven Regelung der Heizelemente 61, 63 weiterzugeben.
Die Steuer- und Regeleinheit 113 ist für eine aktive Regelung der Aktorvorrichtung 110 zum Verfahren des Kolbens 3 entsprechend einer auszuführenden Betriebsstrategie zum Befüllen und Drucken und für eine aktive Regelung der Temperaturen des ersten 61 und zweiten 63 Heizelements vorgesehen.
Maßgeblich für die aktive Regelung der Aktorvorrichtung 110 sind die von der Auswerteeinheit 114 empfangenen Sensorsignale und die aus den jeweiligen Werten berechneten Ergebnisse.
Der Drucksensor 83 für den Druck p_L, und der Temperatursensor 82 für die Temperatur T_L der flüssigen Phase 12 sind im Schmelzeraum 81 angeordnet. Das Wegmesssystem 111 für die Position s des Kolbens 3, und der Sensor 112 für die vom Kolben 3 auf das Material 10, 11 ausgeübte Kraft F oder für einen auf den Kolben 3 ausgeübten Hydraulikdruck p_H, sind an der Aktorvorrichtung 110 oder am Kolben 3 angeordnet.
Ferner ist am Kolben 3 der Temperatursensor 36 für die Temperatur T_K der plastischen Phase 11 des Materials angeordnet.
Die durch gestrichelte Pfeile dargestellten Signale s, F, p_H, T_K, T_L, p_L der Sensoren 111, 112, 36, 82, 83 werden an die Auswerteeinheit 114 übertragen, anschließend in dieser oder in einer Cloud ausgewertet und die Ergebnisse entsprechend einer Betriebsstrategie als Steuergröße i an die Steuer- und Regeleinheit 113 übertragen und die Aktorvorrichtung 110, sowie die Heizelemente 61, 63 entsprechend angesteuert.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 200 zum Betreiben des erfindungsgemäßen Druckkopfes 100, wobei flüssige Phase 12 des druckfähigen Materials 10 aus der Düse 8 zum Drucken des dreidimensionalen Bauteils 9 ausgebracht wird. Die Ausbringung 200 der flüssigen Phase 12 wird druckgeregelt durchgeführt, wobei:

- der Druck p_L im Schmelzeraum 81 permanent gemessen wird 210,
- der Kolben 3 des Druckkopfes 100 aktiv über die Steuer- und Regeleinheit 113 angesteuert wird 220, wobei der Vorschub des Kolbens 3 druckabhängig um einen Korrekturfaktor angepasst wird 230, wobei sich der Korrekturfaktor aus der Federkonstante der flüssigen Phase 12 des Materials ergibt.

Die Ausbringung 200 des Verfahrens 200 wird durch eine aktive Regelung der Aktorvorrichtung 110 durch die Steuer- und Regeleinheit 113 durchgeführt, wobei die Ergebnisse der Auswerteeinheit 114 aus den Messwerten der Sensoren 36, 82, 83, 111, 112 an die Steuer- und Regeleinheit 113 weitergegeben werden.
Die Federkonstante der flüssigen Phase 12 wird während eines Refillprozesses des Materials 10 ermittelt und der Auswerteeinheit 114 bereitgestellt, um den Korrekturfaktor zu berechnen. Ferner wird der Kolben 3 zur Ausbringung der flüssigen Phase 12 aus der Düse 8 über die Aktorvorrichtung 110 von der Steuer- und Regeleinheit 113 angesteuert, um einen vorgegebenen Sollweg s_KS zurückzulegen und diesem Sollweg s_KS wird entsprechend einer Druckveränderung p_L im Schmelzeraum 81 ein additiver Sollwert s_aK hinzugefügt oder abgezogen.
Die Verfahrensschritte werden im weiteren detaillierter ausgeführt.
5 zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Druckkopfes 100 und zwei Diagramme 5a, 5b, die einen Druck-, bzw. Druck-, Kraftverlauf während des Betriebs des Druckkopfes 100 darstellen. 6 zeigt die unterschiedliche Positionen des Kolbens 3 zu verschiedenen Betriebszuständen aus 5 beginnend bei der Startposition 3a bis zur Endposition 3z des Kolbenbodens 35. Während der Ausführung sind die Kühlvorrichtungen 50, 33 im Flansch 5 und Kolben 3, sowie die Heizelemente 61, 63 aktiv und der Schmelzeraum 81, sowie das Nierenstück 7 sind mit Schmelze 12 gefüllt und im unteren Teilbereich des Hohlraums 40 befindet sich noch Granulat in plastischer Phase 11.
Die Ausschnitte des dargestellten Druckkopfes 100 entsprechen dem des in den 1 bis 3 dargestellten erfindungsgemäßen Druckkopfes 100, so dass die Bezugszeichen der vorherigen Figuren zur Beschreibung der 5 und 6 herangezogen werden, wobei neue Merkmale und Bezüge, beispielsweise die jeweilige Position des Kolbens 3 mit Bezug zum Kolbenboden 35 in den 5 und 6 gekennzeichnet ist.
5 zeigt im ersten Diagramm 5a zwei Kurvenverläufe, die über dem vom Kolben 3 zurückgelegten Weg s aufgetragen sind. Der Weg s wird von dem Wegmesssystem 111, bzw. Wegsensor 111 an der Aktorvorrichtung 110 oder am Kolben 3 gemessen.
Die obere Kurve stellt einen Kraft-, Druckverlauf für die vom Kolben 3 auf das Material 10, 11 ausgeübte Kraft F oder für den auf den Kolben 3 ausgeübten Hydraulikdruck p_H während des Vorschubs des Kolbens 3 durch die Aktorvorrichtung 110 beim Verschließen und Verdichten dar, wobei der Kraft-, bzw. Drucksensor 112 an der Aktorvorrichtung 110 oder am Kolben 3 angeordnet ist.
Die untere Kurve im Diagramm 5a stellt einen Druckverlauf des Schmelzedrucks p_L im Schmelzeraum 81 über dem Weg s des Kolbens 3 während des Verdichtens dar. Der Drucksensor 83 für den Druck p_L der flüssigen Phase 12, bzw. der Schmelze 12 ist im Schmelzeraum 81 angeordnet.
Im zweiten Diagramm 5b ist ein Teilausschnitt der unteren Kurve des ersten Diagramms 5a dargestellt, wobei auch hier der Druckverlauf des Schmelzedrucks p_L im Schmelzeraum 81 über dem Weg s des Kolbens 3 während des Verdichtens dargestellt ist (Kurvenverlauf von p_c zu p_d).
6a zeigt eine Startposition 3a des Kolbens 3 während eines Befüllprozesses des Druckkopfes 100, wobei der Kolbenboden 35 an der Oberseite der Öffnung 21 der Kolbenbuchse 4 positioniert ist. Der gesamte Prozessablauf vom Befüllen bis zum Öffnen der Düse 8 während der Druckvorbereitung wird auch Refillprozess genannt, da es sich um einen wiederkehrenden Ablauf handelt, der während des Druckens eines Bauteils 9 beliebig wiederholt wird. Der Refillprozess ist das Verfahren zum Bereitstellen druckfähiger Schmelze 12 zum Betreiben des Druckkopfes 100 für einen 3D-Drucker. Die in 6a gezeigte Position des Kolbens 3 ist analog der Position des Kolbens 3 aus 1. Die Öffnung 21, bzw. der Öffnungsquerschnitt 21 der Kolbenbuchse 4 ist geöffnet und das Granulat 10 kann über die Zuführeinrichtung 2 in den Hohlraum 40 der Kolbenbuchse 4 eingebracht werden. Anschließend wird der Kolben 3 durch die Aktorvorrichtung 110 in die in 7b gezeigte Position 3b gesteuert. Der Kolbenboden 35 gleitet dabei am Anschnitt 44 der Kolbenbuchse 4 vorbei und das von der Öffnung 21 in den Hohlraum 40 überstehende Granulat 10 wird zwischen Kolbenboden 35 und Anschnitt 44 abgeschert. Daher wird diese Position Abscherposition 3b genannt. Nach dem Abscheren ist der Öffnungsquerschnitt 21 verschlossen.
Der Kraft-, Druckverlauf F, p_H steigt von der Startposition 3a bis zur Abscherposition 3b an, wobei der Kraftaufwand der Aktorvorrichtung 110 am Anschnitt 44, bzw. an der Abscherposition 3b am höchsten ist, da die Aktorvorrichtung 110 die Kraft zum Abscheren des Granulats 10 aufbringen muss. Der Kraftaufwand lässt sich durch geeignete Maßnahmen wie die Optimierung der Anschnittgeometrie in Verbindung mit der Beschaffenheit des Kolbenbodens 35 und einer Vorerwärmung des Granulats 10 reduzieren. Der Druckverlauf p_L der Schmelze 12 verändert sich dahingegen nur gering, bzw. steigt kaum an, da die Düse 8 noch geöffnet ist und sich im Schmelzeraum 81 kein Druckaufbau einstellt.
Anschließend beginnt der Verdichtungsprozess und der Kolben 3 wird kraft-, bzw. druckgesteuert durch die Aktorvorrichtung 110 bis zur Position 3c gefahren. Beim Verschieben des Kolbens 3 wird die auf das Material, bzw. Granulat 10, 11 ausgeübte Kraft F oder der auf den Kolben 3 ausgeübter Hydraulikdruck p_H, sowie der Druck p_L in der Schmelze 12 gemessen. Durch das Verschieben des Kolbens 3 wird das Material 10, 11, 12 vorverdichtet.
Die Position 3c wird definiert durch den Kraft-, bzw. Druckanstieg, das heißt die Position 3c wird angesteuert, wobei kein direkter Punkt, sondern eine Flanke der im Diagramm 6a dargestellten Kurven angesteuert wird. Die Flanke entsteht an einem Wechselpunkt p_Lc, F_c, p_Hc von jeweils der Geraden mit geringer, bzw. keiner Steigung (der Bereich von Position 3a bis Position 3c) bis zum Anstieg der Kurve (an Position 3c), an der eine vordefinierte Steigung, bzw. ein vordefinierter Steigungswinkel erreicht und/oder überschritten wird. Die Position 3c befindet sich im ersten Drittel der Plastifizierungszone B. Das Granulat 10, 11 wird in der Plastifizierungszone B durch den Vorschub des Kolbens 3 komprimiert, wobei sich gleichzeitig in der Schmelzezone D zwischen dem Hohlraum 40 und der Düse 8 Schmelze 12 befindet. Das plastifizierte Granulat 11 wird dadurch in der Mischzone C in die Schmelze 12 hineingedrückt.
Durch das Absenken des Kolbens 3 und analog der Kolbennadel 32 in Richtung Düse 8 tritt bereits Schmelze 12 aus der Düse 8 aus, wodurch erreicht wird, dass möglicherweise noch vorhandene Luft, bzw. Lufteinschlüsse aus dem Düsenkopf 6 verdrängt werden. Dadurch wird die Düse 8 frei.
Die Position 3c wird verfahrens- und materialbedingt mit einer Toleranz versehen, wodurch bei verschiedenen, nacheinander durchgeführten Refillvorgängen des Druckkopfes 100 die Position 3c des Kolbens 3 leicht unterschiedlich sein kann. Die Position 3c ist daher kein fester Punkt. Wenn die Position 3c innerhalb der vorgegebenen Toleranz liegt, ist sichergestellt, dass der Befüllprozess erfolgreich war, das heißt, dass genug Granulat 10 in den Hohlraum 40 eingefüllt wurde und das der Schmelzeraum 81 bereits mit Schmelze 12 befüllt ist. Wenn die Flanke beispielsweise zu weit vor der Position 3c beginnt, ist im Bereich vom Kolbenboden 35 bis zur Düse 8 zu viel hochviskoses, bzw. hartes Material 10, 11 und der Mischprozess in der Mischzone C war ggf. nicht erfolgreich. Wenn die Flanke beispielsweise erst weit hinter der Position 3c beginnt, ist ggf. zu wenig Material 10 nachgefüllt worden.
Nach Erreichen der Position 3c ist das Vorverdichten abgeschlossen und die Düse 8 des Druckkopfes 100 wird verschlossen.
Zum Verdichten wird der Kolben 3 ausgehend von Position 3c druckgesteuert vorgeschoben, bis ein vorab definierter Peakdruck p_d erreicht wird und der Kolbenboden 35 auf die in 6c gezeigte Position 3d gefahren wurde. Der Peakdruck p_d kann je nach Material 10 und Bedarf zwischen ca. 100 und 300bar liegen.
Anschließend wird die sogenannte Peakdruckposition 3d für einen materialabhängigen vordefinierten Zeitraum gehalten. Der Kolbenboden 35 ragt dabei in die erste Heizzone 65 und die Kolbennadel 32 in den Schmelzeraum 81 hinein und während des Haltens fließt ein Teil der Schmelze 12 aus dem Schmelzeraum 81 des Düsenkopfes 6 durch die Öffnungen 71 des Nierenstücks 7 zurück in die Mischzone C in das dort befindliche plastische Granulat 10. Dadurch wird Restluft verdrängt und Schmelze 12 wird in der Mischzone C homogenisiert. Dadurch wird ein besserer Energiefluss erreicht und ein homogeneres Material 11, 12 erzeugt. Die zurückfließende Schmelze 12 wird plastisch und die Granulatanteile 11, welche in das Nierenstück 7 geschoben werden, werden schmelzeförmig. Dadurch entsteht ein Vermischen des Materials 11, 12.
Der hier beschriebene Haltevorgang dient zudem zur Analyse und zu einem Systemcheck des Druckkopfes 100, da sich folgende Effekte bei der Druckmessung des Drucks p_L ergeben können. Ein Druckanstieg des Drucks p_L in der Schmelze 12 würde bedeuten, dass die Schmelze 12 ausgast, weil beispielsweise die Temperatur T_L zu hoch ist. Zu hohe Schmelzetemperaturen T_L sind nicht gewünscht, da Luftplasma entstehen kann, was zu einem chemischen Zerfall führen würde.
Ein starker Druckabfall des Schmelzedrucks p_L könnte beispielsweise bedeuten, dass das System des Druckkopfs 100 undicht ist oder noch zu viel Luft im System war. Dieser Effekt könnte auftreten, wenn beispielsweise zu viel kaltes Material 10, 11 im Hohlraum 40 vorhanden war, weil das Temperaturmanagement des Druckkopfes 100 nicht optimal eingestellt war.
Nach Ablauf des vordefinierten Zeitraums wird der Kolben 3 aus der Peakdruckposition 3d von der Aktorvorrichtung 110 druckgesteuert zurückgefahren, bis ein Zieldruck p_e von ca. 0bar erreicht wird. Das System wird entspannt. Dadurch wird erreicht, dass die Schmelze 12 druckentlastet und entlüftet ist, wodurch eine reine Schmelze 12, insbesondere in der Prozesszone E entstanden ist, die nun qualitativ hochwertig und druckfähig ist. Bei Erreichen des Zieldrucks p_e wird die in 6d dargestellte Zieldruckposition 3e erreicht, wobei der Kolbenboden 35 außerhalb der ersten Heizzone 65 im Bereich des Anschlags 43 der Kolbenbuchse 4 positioniert ist.
Der nun gemessene Druckunterschied zwischen dem Druck p_d der Peakdruckposition 3d und dem Druck p_e der Zieldruckposition 3e und der zwischen den beiden Punkten 3d, 3e zurückgelegte Weg s ergibt eine Federkonstante der flüssigen Phase 12 des Materials, bzw. der Schmelze 12.
Die Federkonstante ergibt sich aus der Kompressibilität der Schmelze 12 und führt zu einem Korrekturfaktor, bzw. Formfaktor, der zur exakten Ansteuerung des Kolbens 3 durch die Aktorvorrichtung 110 benötigt wird.
Aufgrund der Kompressibilität der Schmelze 12 entsprechen beispielsweise 1,2 Volumeneinheiten eines geometrischen, durch den Kolben 3 zurückgelegten Kolbenwegs s, 1,0 Volumeneinheiten eines ausgetragenen Volumens der Schmelze 12. Ohne Kompressibilität wäre das Verhältnis 1:1.
Dadurch wird erreicht, dass die Aktorvorrichtung 110 den Kolben 3 geregelt ansteuern kann, wobei die Federkonstante es unter anderem ermöglicht, dass der reale Austrag der Schmelze 12 den korrekten, berechneten Volumenstrom der Schmelze 12 in Abhängigkeit einer Bahngeschwindigkeit v_B des bewegten Druckkopfes 100 beim Drucken erreicht. Das heißt, dass an jeder Druckposition bei jeder Bahngeschwindigkeit v_B des Druckkopfes 100 die jeweils benötigte Menge Schmelze 12 auf das Bauteil 9 ausgebracht wird.
Anschließend wird der Prozess der Ausbringung 200 der Schmelze 12, bzw. der Druckprozess 200 über ein aktives Dekomprimieren durch ein Zurückziehen des Kolbens 3 vorbereitet.
Der Kolben 3 wird dabei abhängig von der ermittelten Federkonstante um ca. 1 bis 2 Millimeter zurückgezogen, wodurch erreicht wird, dass keine Schmelze 12 aus der Düse 8, bzw. Düsenöffnung austritt, wenn diese anschließend geöffnet wird. Dies wäre bei einem weiteren Halten der Position 3e aufgrund des vorhandenen offenen Systems durch den Einfluss der Schwerkraft der Fall. Gleichzeitig wird die Schmelze 12 analog einer Feder entlastet.
Anschließend beginnt die weitere Druckvorbereitung durch Kompression.
Das Gesamtsystem des Druckkopfes 100 ist, wie bereits beschrieben, ein kompressibles System, da die Schmelze 12 beispielsweise eine Kompression von ca. 20% aufweisen kann. Daher entspricht das durch den Vorschub des Kolbens 3 verdrängte Volumen nicht dem Volumen des ausgetragenen Materials 12, wodurch sich ungenaue und unregelmäßige Austräge ergeben können. Das mögliche Volumen der Schmelze 12 für einen Vorschub des Druckprozesses 200 wird definiert von der Zielposition 3e und dem Weg zur in 7e gezeigten Endposition 3z.
Aufgrund des oben beschriebenen Effekts, wird die Schmelze 12 während des Druckbeginns komprimiert. Die Kompression der Schmelze 12 im Schmelzeraum 81 zu Druckbeginn wird zu einem Teil über Reibung an der Düsenöffnung der Düse 8 beim „Herauspressen“ der Schmelze 12 erzeugt und zu einem Teil über den Widerstand beim Drucken auf das Bauteil 9 oder einen Substratträger, auf dem das Bauteil 9 aufgebaut wird.
Ein gleichmäßiger Austrag der Schmelze 12 wird durch eine intelligente Regelung des Druckkopfes 100 erreicht, wobei asynchrone, um einen Korrekturfaktor angepasste Bewegungen des Kolbens 3 durch den Einsatz eines elektronischen Getriebes an der Aktorvorrichtung 110 erfolgen. Der Korrekturfaktor, der sich insbesondere aus der ermittelten Federkonstante der Schmelze 12 ergibt, wird sozusagen in das System eingemischt. Daher weist der erfindungsgemäße Druckkopf 100 keine Einschränkung auf synchrone Bewegungen analog üblicher NC Systeme auf.
Der Druckprozess 200 wird erfindungsgemäß druckgeregelt durchgeführt, wobei der Druck p_L der Schmelze 12 permanent über den Drucksensor 83 im Düsenkopf 6 gemessen wird. Der gemessene Druck p_L ist der Druck der durch Austrag der Schmelze 12 auf das Bauteil 9, bzw. auf den Substratträger (falls noch kein Bauteil vorhanden) entsteht. Ohne diesen Effekt, dass man auf ein Objekt druckt, wäre kein Gegendruck an der Düse 8 vorhanden, außer dem eines Reibungsdrucks, wodurch zu viel Material/Schmelze 12 aus der Düse 8 ausgetragen werden würde.
Der Druckprozess 200 wird gestartet, indem aktiv Schmelze 12 durch die intelligente Regelung und Ansteuerung des Kolbens 3 eingemischt wird. Dabei wird „mehr“ Hub ausgeführt, um die Kompressibilität der Schmelze 12 auszugleichen. Dabei wird prinzipiell zu viel Schmelze 12 aus der Düse 8 gedrückt, jedoch wird der Drucksensor 83 parallel zur Einmischung der Schmelze 12 ausgelesen, wodurch entsprechend druckabhängig gegengeregelt werden kann.
Eine elektrisch angetriebene Aktorvorrichtung 110 erweist sich für diesen Fall als dynamisch und sehr effektiv.
Während des Druckprozesses 200 wird kontinuierlich die Schmelzetemperatur Ts gemessen und in der Heizzone 2 wird die Schmelze 12 über die Heizelemente 63 im Düsenkopf 6 auf den erforderlichen Sollwert der Prozesstemperatur im Bereich der Prozesszone E geregelt.
Der Kolben 3 wird zum Druckstart entsprechend einer Bahngeschwindigkeit v_B des Druckkopfes 100 von der Aktorvorrichtung 110 angesteuert, wodurch Schmelze 12 aus der Düse 8 ausgetragen wird.
Während des Druckprozesses 200 wird die Steuer- und Regeleinheit 113 des Druckkopfes 100 aktiviert und greift aktiv in die Ansteuerung der Aktorvorrichtung 110 ein, um beispielsweise bei Bedarf einen additiven Sollwert s_aK, bzw. eine additive Menge an Material 12 zuzumischen. Falls beispielsweise ein additiver Sollwert s_aK zugemischt wird und dadurch mehr Material 12 aus der Düse 8 ausgetragen, bzw. extrudiert wird als durch eine kontinuierliche Ansteuerung, erhöht sich als Resultat auch der Druck p_L am Düsenkopf 6. Der additive Sollwert s_aK ist der eingemischte Wert, bzw. der zusätzliche Kolbenweg, der zurückgelegt werden muss, um entsprechend des Korrekturwerts, ermittelt aus der Federkonstante, das gewünschte Volumen an Schmelze 12 auszutragen. Dadurch wird ein eingeschwungener Zustand erreicht, wodurch die auf das Bauteil 9 ausgetragene Menge der Schmelze 12 konstant bleibt.
Dieser Vorgang wird in den Diagrammen von 7 beispielhaft dargestellt. 7a zeigt ein Weg-Zeit-Diagramm mit einer Kurve des Sollwegs s_KS des Kolbens 3 und darunter den additiven Sollwert s_aK, der aufgrund der aktiven Regelung des Kolbens 3 zum Sollweg s_KS hinzugefügt, bzw. eingemischt wird.
7b zeigt ein Diagramm, welches die Bahngeschwindigkeit v_B des Druckkopfes 100 beim Drucken und den Schmelzedruck p_L während des Druckvorgangs über der Zeit t abbildet
Die Bahngeschwindigkeit v_B des Druckkopfes 100 ist bis zum Punkt v₁ nahezu konstant und ab Punkt v₁ bis Punkt v₂ wird sie reduziert. Beispielsweise, weil der Druckkopf 100 eine Kurve fährt. Ab Punkt v₂ beschleunigt der Druckkopf 100 wieder bis zum Punkt v₃ und fährt danach nahezu mit konstanter Geschwindigkeit v_B weiter. Parallel dazu ist in 8a die Kurve des Sollwegs s_KS des Kolbens 3 gezeigt, die hier mit gleichbleibender Steigung dargestellt ist. Diese Kurve würde einen Kolbenweg eines ungeregelten Druckkopfes darstellen, dessen Kolben mit konstanter Geschwindigkeit vorgeschoben wird. Durch die permanente Druck- und Temperaturmessung wird jedoch festgestellt, dass sich der Druck p_L, bzw. der Druckverlauf des Schmelzedrucks p_L beim Abbremsen und Beschleunigen der Bahngeschwindigkeit v_B des Druckkopfes 100 verändert (siehe 7b). Aus dieser Veränderung wird der additiver Sollwert s_aK ermittelt und der Kolben 3 entsprechend angesteuert, wobei der additive Sollwert S_aK dem Sollweg s_KS des Kolbens 3 hinzugefügt oder abgezogen wird.
Beim Abbremsen des Druckkopfes 100 wird der Kolben 3 langsamer (siehe negative Steigung s₁ in 8a), bzw. kann dieser sogar zum Stehen kommen oder seine Bewegungsrichtung wechseln. Dies geschieht, weil die Bahngeschwindigkeit v_B einbricht und sich dadurch der Druck p_L reduziert. Durch die Ansteuerung, bzw. Vorsteuerung des Kolbens 3 wird vermieden, dass zu viel Material 12 aus der Düse 8 auf das Bauteil 9 ausgetragen wird.
Beim Beschleunigen der Bahngeschwindigkeit v_B am Punkt v₂ beginnt die oben beschriebene Kompression der Schmelze 12, wodurch es nötig ist, dass der Kolben 3 einen größeren Hub machen muss als bei einem inkompressiblen Medium. Die Steuer- und Regeleinheit 113 greift dabei aktiv in das System ein und übernimmt die Steuerung. Sie sorgt für eine Steigerung des additiven Sollwerts s_aK wodurch mehr Material 12 extrudiert wird und sich als Resultat der Druck p_L an der Düse 8 erhöht.
Durch den Vorschub des Kolbens 3 und der daraus resultierenden Druckerhöhung (bei Punkt p₂) in der Schmelze 12 wird die virtuelle „Feder“ der Schmelze 12 kleiner, bzw. steifer. Dieser entstandene technische Effekt wird durch die Steuer- und Regeleinheit 113 nachgeregelt, wodurch weiterhin während des Druckprozesses 200 die exakt benötigte Menge der Schmelze 12 aus der Düse 8 ausgetragen wird, um beispielsweise gleich starke, bzw. dicke Schichten auf ein Bauteil 9 aufzutragen.
Wenn die Bahngeschwindigkeit v_B wieder konstant ist, wird ein eingeschwungener Zustand erreicht, wobei die herausgedrückte Menge der Schmelze 12 konstant bleibt und die Bahngeschwindigkeit v_B des Druckkopfes 100 gleich bleibt.
Der Einsatz der Kolbennadel 32 sorgt dabei für den vorteilhaften Effekt, dass durch diese eine direkte Volumenverdrängung innerhalb der Schmelze 12 im Schmelzeraum 81 möglich ist, wodurch eine kleinere Federkonstante erreicht wird. Die kleine Federkonstante ermöglicht wiederum eine hohe Dynamik des Druckkopfes 100. Der Effekt ergibt sich daraus, dass durch die Kolbennadel 32 eine direktere Druckübertragung auf die Schmelze 12 erfolgt. Beim Vorschub des Kolbens 3 überträgt somit nicht nur der Kolbenboden 35 einen Druckimpuls zum Austragen der Schmelze 12 aus der Düse 8, sondern auch die näher an der Düse 8 positionierte Kolbennadel 32.
Der Druckprozess 200 ist so lange ausführbar, bis der Kolbenboden 35 die Position 3z erreicht, wobei die Position 3z derart festgelegt ist, dass der Kolbenboden 35 gerade nicht einen mechanischen Anschlag erreicht, sondern wie in 6e dargestellt, kurz vor Erreichen des Nierenstücks 7 zum Stehen kommt. Danach kann kein Material 12 mehr ausgetragen werden und der oben beschriebene Refillprozess wird erneut gestartet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016082627 A1 [0005]
DE 102016222306 A1 [0006]

Claims

Verfahren (200) zum Betreiben eines Druckkopfes (100) für einen 3D-Drucker, wobei flüssige Phase (12) eines druckfähigen Materials (10) aus einer Düse (8) zum Drucken eines dreidimensionalen Bauteils (9) ausgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringung (200) der flüssigen Phase (12) druckgeregelt durchgeführt wird, wobei: - ein Druck (p_L) in einem Schmelzeraum (81) permanent gemessen wird (210), - ein Kolben (3) des Druckkopfes (100) aktiv über eine Steuer- und Regeleinheit (113) angesteuert wird (220), wobei der Vorschub des Kolbens (3) druckabhängig um einen Korrekturfaktor angepasst wird (230), wobei sich der Korrekturfaktor aus der Federkonstante der flüssigen Phase (12) des Materials ergibt.
Verfahren (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringung (200) durch eine aktive Regelung einer Aktorvorrichtung (110) des Druckkopfes (100) durch die Steuer- und Regeleinheit (113) durchgeführt wird, wobei Ergebnisse einer Auswerteeinheit (114) aus Messwerten von Sensoren (36, 82, 83, 111, 112) an die Steuer- und Regeleinheit (113) weitergegeben werden.
Verfahren (200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die Federkonstante der flüssigen Phase (12) während eines Refillprozesses des Materials (10) ermittelt und der Auswerteeinheit (114) bereitgestellt wird, um den Korrekturfaktor zu berechnen.
Verfahren (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) zur Ausbringung der flüssigen Phase (12) aus der Düse (8) über die Aktorvorrichtung (110) von der Steuer- und Regeleinheit (113) angesteuert wird, um einen vorgegebenen Sollweg (s_KS) zurückzulegen und diesem Sollweg (s_KS) entsprechend einer Druckveränderung (p_L) im Schmelzeraum (81) ein additiver Sollwert (s_aK) hinzugefügt oder abgezogen wird.
Verfahren (200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor Druckbeginn die flüssige Phase (12) durch Vorschub des Kolbens (3) bei geöffneter Düse (8) komprimiert wird.
Druckkopf (100) für einen 3D-Drucker zur Durchführung des Verfahrens (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die in einem Gehäuse (1) des Druckkopfes (100) angeordnete Aktorvorrichtung (110) zur Ansteuerung des Kolbens (3), eine Zuführeinrichtung (2) für das druckbare Material (10), ein am Gehäuse (1) und der Zuführeinrichtung (2) angeordneten Flansch (5) mit einer Kühlvorrichtung (50), einen Düsenkopf (6) mit Heizelementen (61, 63) zur Umwandlung des Materials (10) von einer festen Phase (10) über eine plastische Phase (11) in eine flüssige Phase (12) und die Düse (8) zur Ausbringung der flüssigen Phase (12) des Materials (10) aus dem Düsenkopf (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinheit (113) für eine aktive Regelung der Aktorvorrichtung (110) zum Verfahren des Kolbens (3) entsprechend einer auszuführenden Betriebsstrategie zum Befüllen und Drucken und für eine aktive Regelung der Heizelemente (61, 63) vorgesehen ist.
Druckkopf (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (114) dazu vorgesehen ist, Messwerte von Sensoren (36, 82, 83, 111, 112) des Druckkopfs (100) auszuwerten und die Ergebnisse an die Steuer- und Regeleinheit (113) zur aktiven Regelung der Aktorvorrichtung (110) und zur aktiven Regelung der Heizelemente (61, 63) weiterzugeben.