DE102021202652A1 - Printhead for a 3D printer and method of operating a printhead - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft 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) in eine flüssige Phase (12) und eine Düse (8) zur Ausbringung der flüssigen Phase (12) des Materials (10) aus dem Düsenkopf (6). Erfindungsgemäß sind die Kühlvorrichtung (50) im Flansch (5) und eine im Kolben (3) integrierte Kolbenkühlung (33) vorgesehen, um die Temperatur Ts der plastischen Phase (11) des Materials-an einer Unterseite (35) eines Kolbenkopfes (34) des Kolbens (3) auch dann unterhalb einer Glasübergangstemperatur Tgzu halten, ab der das Material (11) plastifiziert und in eine flüssige Phase (12) übergeht.Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren (200) zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Druckkopfes (100).The invention relates to a print head (100) for a 3D printer, comprising an actuator device (110) arranged in a housing (1) of the print head (100) for controlling a piston (3), a feed device (2) for a printable material ( 10), a flange (5) arranged on the housing (1) and the feed device (2) with a cooling device (50), a nozzle head (6) with heating elements (61, 63) for converting the material (10) from a solid phase (10) in a liquid phase (12) and a nozzle (8) for dispensing the liquid phase (12) of the material (10) from the nozzle head (6). According to the invention, the cooling device (50) is provided in the flange (5) and a piston cooling system (33) integrated in the piston (3) in order to reduce the temperature Ts of the plastic phase (11) of the material on an underside (35) of a piston head (34). of the piston (3) below a glass transition temperature Tg above which the material (11) plasticizes and turns into a liquid phase (12). The invention also relates to a method (200) for operating a print head (100) according to the invention.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker und einem Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes.The present invention relates to a print head for a 3D printer and a method for operating a print head.
Stand der TechnikState of the art
Ein 3D-Drucker für ein in seiner Viskosität veränderliches Material erhält eine feste Phase dieses Materials als Ausgangsmaterial, erzeugt daraus eine flüssige Phase und bringt diese flüssige Phase selektiv an den Stellen, die zu dem zu erzeugenden Objekt gehören, auf. Ein solcher 3D-Drucker umfasst einen Druckkopf, in dem das Ausgangsmaterial druckfertig aufbereitet wird. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, vorgesehen. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.A 3D printer for a viscosity-changing material receives a solid phase of this material as a starting material, creates a liquid phase from it and applies this liquid phase selectively to the locations that belong to the object to be created. Such a 3D printer includes a print head in which the starting material is prepared ready for printing. Furthermore, means are provided for generating a relative movement between the print head and the work surface on which the object is to be created. Either only the print head, only the work surface or both the print head and the work surface can be moved.
Der Druckkopf hat einen ersten Betriebszustand, in dem flüssiges Material aus ihm austritt, und einen zweiten Betriebszustand, in dem kein flüssiges Material aus ihm austritt. Der zweite Betriebszustand wird beispielsweise dann eingenommen, wenn eine andere Position auf der Arbeitsfläche angefahren werden und auf dem Weg dorthin kein Material ausgebracht werden soll. Zwischen den beiden Betriebszuständen des Druckkopfes kann beispielsweise umgeschaltet werden, indem der Vortrieb des festen Ausgangsmaterials ein- bzw. ausgeschaltet wird.The printhead has a first operational condition in which it ejects liquid material and a second operational condition in which it does not eject liquid material. The second operating state is assumed, for example, when a different position on the work surface is to be approached and no material is to be discharged on the way there. It is possible to switch between the two operating states of the print head, for example, by switching the advance of the solid starting material on or off.
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.The most common is "fused deposition modeling" (FDM), in which a filament from the starting material is melted in an electrically heated extruder nozzle and applied in layers to a platform. In the form of such a filament, the starting material is very expensive.
In der
Ferner ist aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kompakten Druckkopf für einen 3D-Drucker bereitzustellen, der eine hohe Dynamik und einen stabilen Druckprozess ermöglicht, sowie ein Verfahren zum Betreiben des Druckkopfes.The object of the invention is to provide a compact print head for a 3D printer that enables high dynamics and a stable printing process, as well as a method for operating the print head.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Druckkopf für einen 3D-Drucker entwickelt. Ferner wurde ein Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes entwickelt.As part of the invention, a print head for a 3D printer was developed. A method for operating a print head has also been developed.
Der Druckkopf für einen 3D-Drucker umfasst eine in einem Gehäuse des Druckkopfes angeordnete Aktorvorrichtung zur Ansteuerung eines Kolbens, eine Zuführeinrichtung für ein druckbares Material, ein am Gehäuse und der Zuführeinrichtung angeordneten Flansch mit einer Kühlvorrichtung, ein Düsenkopf mit Heizelementen zur Umwandlung des Materials von einer festen Phase über eine plastische Phase in eine flüssige Phase und eine Düse zur Ausbringung der flüssigen Phase des Materials aus dem Düsenkopf. Erfindungsgemäß sind die Kühlvorrichtung im Flansch und eine im Kolben integrierte Kolbenkühlung vorgesehen, um die Temperatur der plastischen Phase des Materials an einer Unterseite eines Kolbenkopfes des Kolbens auch dann unterhalb einer Glasübergangstemperatur Tg zu halten, ab der das Material plastifiziert und in eine flüssige Phase übergeht.The print head for a 3D printer comprises an actuator device arranged in a housing of the print head for controlling a piston, a feed device for a printable material, a flange with a cooling device arranged on the housing and the feed device, a nozzle head with heating elements for converting the material from a solid phase via a plastic phase into a liquid phase and a nozzle for expelling the liquid phase of the material from the nozzle head. According to the invention, the cooling device is provided in the flange and a piston cooling system integrated in the piston in order to keep the temperature of the plastic phase of the material on the underside of a piston head of the piston below a glass transition temperature Tg , from which the material plasticizes and changes into a liquid phase .
Dies ist gleichbedeutend damit, dass der Kolbenboden ausschließlich mit der festen Phase 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.This is equivalent to the piston crown only coming into contact with the solid phase of material and not with a fully plasticized phase. The fully plasticized phase has a tough, sticky consistency with a high tendency for surface adhesion. If the plunger comes into contact with this phase, it can stick to it, which, for example, prevents fresh granules from trickling in when the plunger is pulled back. This effect is advantageously avoided.
In einer Weiterbildung weist der Druckkopf unterschiedliche Zustandszonen auf, wobei die Zustandszonen einen Aggregatzustand des Materials in Abhängigkeit seiner Temperatur TS darstellen. Dabei ist der Aggregatzustand des Materials über die Zustandszonen hinweg von einer festen Phase über eine plastische Phase in eine flüssige Phase veränderbar. Zudem weist der Druckkopf Sensoren zur Überwachung der Zustandszonen auf.In a development, the print head has different state zones, with the state zones representing an aggregate state of the material as a function of its temperature T S . The aggregate state of the material across the state zones is from a solid phase to a plastic phase to a liquid phase changeable. In addition, the print head has sensors for monitoring the status zones.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfassen 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.In a further development of the invention, the status zones of the print head include a cold zone with material in the solid phase, a plasticizing zone with material in the plastic phase, a melt zone and a process zone each with material in the liquid phase and a mixing zone with material in the plastic and liquid phases.
Die Zustandszonen sind innerhalb eines Arbeitsbereichs des Druckkopfes angeordnet und werden von den Sensoren permanent überwacht, um die optimale Umwandlung des Materials von einer festen Phase über eine plastische Phase in eine flüssige Phase zu überwachen. Dadurch wird zum Beispiel eine Temperaturkurve des Materials innerhalb des Arbeitsbereichs ermittelt, wodurch in vorteilhafter Weise ein verbessertes Thermomanagement des Druckkopfes erreicht wird und dieser seine Druckperformance verbessert.The state zones are located within a working area of the print head and are constantly monitored by the sensors to monitor the optimal transformation of the material from a solid phase through a plastic phase to a liquid phase. As a result, for example, a temperature curve of the material within the working area is determined, as a result of which improved thermal management of the print head is advantageously achieved and this improves its printing performance.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist an der Unterseite des Kolbenkopfes ein Temperatursensor für die Temperatur 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.In a preferred development, a temperature sensor for the temperature of the plastic phase of the material is arranged on the underside of the piston head.
This arrangement of the temperature sensor enables thermal management of the print head depending on the piston position, which means that the material heats up more quickly without the melt coming into contact with the underside of the piston head. As a result, an acceleration of a filling process of the print head or a reduction in the time required for the filling process can be achieved in an advantageous manner.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist innerhalb des Düsenkopfes ein Schmelzeraum angeordnet, wobei in diesem ein Drucksensor für den Druck pL, und ein Temperatursensor für die Temperatur TL der flüssigen Phase angeordnet ist.
Die Messung des Drucks pL 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 TL 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 TL, insbesondere in Form einer konstanten und genauen Regelung, sogar wichtiger, um eine thermische Degradation des Materials zu vermeiden.In a preferred development of the invention, a melt chamber is arranged within the nozzle head, a pressure sensor for the pressure p L and a temperature sensor for the temperature T L of the liquid phase being arranged in this chamber.
The measurement of the pressure p L is the primary parameter that decides on the output or discharge or mass flow of melt from the outlet opening. An additional measurement of the temperature T L makes it possible to also take into account the temperature dependence of the viscosity of the material when determining the mass flow Q. The amount to be metered can be precisely controlled by the piston feed. For the quality of the manufactured component or object, the control of the temperature T L , in particular in the form of a constant and precise regulation, is even more important in order to avoid thermal degradation of the material.
In einer Weiterbildung 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 pH, 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.In a further development, a path measuring system for the position s of the piston and/or a sensor for the force F exerted by the piston on the material or for a hydraulic pressure p H exerted on the piston is provided on the actuator device and/or on the piston.
The advance of the piston is a measure of the amount of material to be discharged. This quantity can be controlled, among other things, via the position measuring system. Furthermore, the force F correlates directly with the pressure in the material.
In einer Weiterbildung ist eine 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 Temperaturen der Heizelemente des Düsenkopfes vorgesehen.In a further development, a control and regulation unit is provided for active regulation of the actuator device for moving the piston according to an operating strategy to be carried out for filling and printing and for active regulation of the temperatures of the heating elements of the nozzle head.
Ferner ist in einer Weiterbildung eine Auswerteeinheit vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, die Messwerte der Sensoren auszuwerten und die Ergebnisse an die Steuer- und Regeleinheit zur aktiven Regelung der Aktorvorrichtung und zur aktiven Regelung der Heizelemente weiterzugeben.Furthermore, in one development, an evaluation unit is provided, which is designed to evaluate the measured values of the sensors and forward the results to the open-loop and closed-loop control unit for active control of the actuator device and for active control of the heating elements.
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.The functionality of the print head can be checked by detecting and evaluating the sensor values as a function of the respective operating states, as a result of which errors or deviations in the process can advantageously be displayed at an early stage. Furthermore, defined target values can be controlled by detecting the sensor values. It is also possible for correction factors to be calculated and transmitted to the control and regulation unit. These can be added to the target values, for example, in order to advantageously achieve a desired and constant output of the melt from the nozzle.
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.The active regulation of the heating elements enables a dynamic regulation of the temperature, which advantageously influences both the heating and the cooling. If, for example, the heating energy of the first heating element is reduced by the control and regulation unit, the cooling in the flange continues and this withdraws the energy from the plastic phase of the material, causing it to cool down abruptly.
Der Düsenkopf umfasst zwei Heizzonen.
In der ersten Heizzone sind ein Teilbereich der Plastifizierungszone, die Mischzone und ein Teilbereich der Schmelzezone angeordnet, wobei ein erstes Heizelement in einem oberen Düsenkopf derart angeordnet ist, dass die Heizenergie vom ersten Heizelement über einen unteren Teilbereich einer separaten Kolbenbuchse, einem am unteren Teilbereich der Kolbenbuchse angeordnetem Nierenstück und einem Teilabschnitt eines oberen Düsenkopfs in das Material einbringbar ist.
In der zweiten Heizzone sind ein Teilbereich der Schmelzezone und die Prozesszone angeordnet, wobei ein zweites Heizelement in einem unteren Düsenkopf derart angeordnet ist, dass die Heizenergie vom zweiten Heizelement über den unteren Düsenkopf in die flüssige Phase des Materials einbringbar ist.The nozzle head includes two heating zones.
A partial area of the plasticizing zone, the mixing zone and a partial area of the melting zone are arranged in the first heating zone, with a first heating element being arranged in an upper die head in such a way that the heating energy is transmitted from the first heating element via a lower partial area of a separate piston bushing, a lower partial area of the Piston sleeve arranged kidney piece and a portion of an upper nozzle head can be introduced into the material.
A partial area of the melt zone and the process zone are arranged in the second heating zone, with a second heating element being arranged in a lower nozzle head in such a way that the heating energy from the second heating element can be introduced into the liquid phase of the material via the lower nozzle head.
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.The arrangement of the two heating zones in the nozzle head ensures more effective thermal management of the print head, since the heating energy of the first heating zone ensures advantageous pre-plasticization of the material without the material going into the liquid phase. This advantageously ensures that the piston does not stick during compression and the print head functions properly. This effect is optimized in interaction with the cooling device in the flange. Furthermore, the material is pre-plasticized in the plastic phase in such a way that the actuator device requires less effort when advancing the piston, as a result of which smaller actuators can advantageously be used to advance the piston. This reduces the cost of the system and leads to improved dynamics of the print head, since the weight of the print head is reduced. As a result, the print head can be better accelerated and decelerated during a so-called path control for the production of a component.
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.The melt is produced in the second heating zone and the heating energy introduced ensures a relatively constant melt temperature over the entire melt space. The melt temperature can be regulated within the second heating zone in such a way that the material does not heat up too much. This advantageously avoids the formation of fission products as a result of excessive thermal stress, for example, primarily gases, which accelerate further decomposition of the material due to the pressures prevailing in the system and also directly negatively influence its quality.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Druckkopfes, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- - Befüllen eines Hohlraums mit druckbarem Material durch die Zuführeinrichtung,
- - Verschließen eines Öffnungsquerschnitts der Kolbenbuchse durch Verfahren des Kolbens ausgehend von einer Startposition in Richtung der Düse,
- - Verdichten des Materials,
- - Umwandeln des Materials von einer festen Phase in eine flüssige Phase,
- - Ausbringung der flüssigen Phase des Materials aus der Düse zum Drucken eines dreidimensionalen Bauteils bis eine Endposition des Kolbens erreicht wird oder bis zur Fertigstellung des Bauteils,
- - Zurückfahren des Kolbens in die Startposition und
- - Wiederholung der Schritte „Befüllen“ bis „Ausbringung der flüssigen Phase“ bis zur Beendigung des Verfahrens.
- - filling of a cavity with printable material by the feeding device,
- - Closing an opening cross section of the piston sleeve by moving the piston starting from a starting position in the direction of the nozzle,
- - compaction of the material,
- - converting the material from a solid phase to a liquid phase,
- - Ejection of the liquid phase of the material from the nozzle for printing a three-dimensional component until an end position of the piston is reached or until the component is completed,
- - return the piston to the starting position and
- - Repeat the steps "Filling" to "Dispensing of the liquid phase" until the end of the procedure.
In einer Weiterbildung des Verfahrens werden zumindest das Verschließen, das Verdichten, das Umwandeln und die Ausbringung durch eine aktive Regelung der Aktorvorrichtung durch die Steuer- und Regeleinheit durchgeführt, wobei die Ergebnisse der Auswerteeinheit aus den Messwerten der Sensoren an die Steuer- und Regeleinheit weitergegeben werden.In a further development of the method, at least the closing, the compression, the conversion and the application are carried out by actively regulating the actuator device by the control and regulation unit, with the results of the evaluation unit from the measured values of the sensors being passed on to the control and regulation unit .
Das Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise ein Erreichen einer gleichbleibenden konstanten Bahndicke ab dem ersten Tropfen.The method advantageously makes it possible to achieve a constant web thickness that remains the same from the first drop.
Die Auswerteeinheit kann sowohl separat von der Steuer- und Regeleinheit ausgeführt sein, als auch in dieser integriert sein.The evaluation unit can either be designed separately from the control and regulation unit or be integrated into it.
Die Aktorvorrichtung zur Ansteuerung des Kolbens kann ein Elektromotor, beispielsweise mit einer mechanischen Übersetzung oder ein hydraulischer Antrieb mit einer hydraulischen Druckquelle sein.The actuator device for controlling the piston can be an electric motor, for example with a mechanical transmission, or a hydraulic drive with a hydraulic pressure source.
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.An electric motor as an actuator device has a lower weight than a hydraulic drive and thus advantageously ensures high dynamics for the entire printer and the printing process, since less mass has to be accelerated.
Ein hydraulischer Antrieb erreicht in vorteilhafter Weise hohe Kräfte beim Ansteuern des Kolbens.A hydraulic drive advantageously achieves high forces when driving the piston.
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.The feed device for the printable material can be provided in particular as a feed for a material present as a granulate or starting material. The starting material can in particular be a thermoplastic material.
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.It has been recognized that the use of pellets as a feedstock provides specific advantages over printheads using filaments of thermoplastic material, particularly in the cost of printer feedstock.
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.Compared to a print head that transports granules with a screw conveyor, build the printhead more compact according to the invention. This in turn means that the print head is lighter and easier to move. This is particularly advantageous when the print head is to be moved very quickly, in particular at speeds of 100 mm/s or more.
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.The flange includes a cooling device, as a result of which optimized thermal management is achieved in the area of the feed device, so that the material or the granules can advantageously be prevented from sticking to the piston. Furthermore, the nozzle head has heating elements for converting the material from a solid phase, in particular granules, into a liquid phase. The heating elements in the nozzle head ensure that the heating power is applied in a targeted manner to the material to be melted. The liquid phase or melt can then be discharged through the nozzle of the nozzle head by a piston movement.
Die separate Kolbenbuchse zur Führung des Kolbens 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.The separate piston bushing for guiding the piston allows the piston to be guided directly in the piston bushing and no longer in the housing or a cylinder of the print head. In this way, it is achieved in an advantageous manner that possible wear no longer occurs directly on the inner wall of the housing or the cylinder, but rather inside the piston sleeve. The piston sleeve as a separate component offers the advantage that it can be replaced if necessary. In addition, there is the possibility that pistons and piston bushes that are matched to one another can be used with different diameters without further structural changes, for example on the flange and the nozzle head.
Die Kolbenbuchse weist ein in den Flansch hineinragenden oberen Teilbereich und ein in den Düsenkopf hineinragenden unteren Teilbereich auf. Dadurch ist der obere Teilbereich im Wirkbereich einer Kühlzone der Kühlvorrichtung des Flansches angeordnet und der untere Teilbereich im Wirkbereich einer Heizzone des Düsenkopfes angeordnet, wodurch in vorteilhafter Weise eine effektive Energieabfuhr aus dem Material innerhalb der Kühlzone oder eine effektive Energiezufuhr in das Material innerhalb der Heizzone erreicht wird.The piston sleeve has an upper part that projects into the flange and a lower part that projects into the nozzle head. As a result, the upper partial area is arranged in the active area of a cooling zone of the cooling device of the flange and the lower partial area is arranged in the active area of a heating zone of the nozzle head, which advantageously achieves effective energy dissipation from the material within the cooling zone or effective energy supply into the material within the heating zone becomes.
Im oberen Teilbereich der Kolbenbuchse ist eine Öffnung, bzw. ein Öffnungsquerschnitt angeordnet, der die Zufuhr von Material aus der Zuführvorrichtung in die Kolbenbuchse ermöglicht. Am unteren Bereich der Öffnung ist ein Anschnitt angeordnet, der in einem stumpfen Winkel zur Innenfläche der Kolbenbuchse ausgebildet ist. Der Bereich des Anschnitts ist gehärtet, oder alternativ als separates gehärtetes Einlegestück ausgeführt. Beim Verschließen der Öffnung durch den Kolben, wird Material, bzw. Granulat vom Kolben am Anschnitt abgeschert, wodurch eine starke mechanische Belastung auf diesen Teil der Kolbenbuchse wirkt. Durch die separate Kolbenbuchse und dem gehärteten Bereich des Anschnitts wird in vorteilhafter Weise eine längere Standzeit und ein schnelleres Austauschen eines defekten Bauteils erreicht.An opening or an opening cross-section is arranged in the upper partial area of the piston bushing, which enables material to be fed from the feed device into the piston bushing. At the bottom of the opening is a gate formed at an obtuse angle to the inner surface of the piston sleeve. The area of the gate is hardened, or alternatively designed as a separate hardened insert. When the opening is closed by the piston, material or granulate is sheared off the piston at the gate, causing a strong mechanical load on this part of the piston sleeve. Due to the separate piston bushing and the hardened area of the gate, a longer service life and faster replacement of a defective component is achieved in an advantageous manner.
Ferner weist die Kolbenbuchse zwischen dem oberen und unteren Teilbereich einen Anschlag auf, 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.Furthermore, the piston sleeve has a stop between the upper and lower sections, by which the flange and the nozzle head are separated from one another. The piston bushing and in particular the stop thus advantageously separates the cooled flange from the heated nozzle head, as a result of which they are not in contact with one another.
Zudem ist am unteren Teilbereich der Kolbenbuchse ein Nierenstück angeordnet, wobei das Nierenstück eine zentrisch verlaufende Bohrung zur Aufnahme einer Kolbennadel des Kolbens aufweist.In addition, a kidney piece is arranged on the lower partial area of the piston sleeve, the kidney piece having a centrally running bore for receiving a piston needle of the piston.
Der Kolben 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.The piston comprises a first piston part for connection to the actuator device, a piston head for connection to the first piston part and for accommodating the piston needle. The first piston part is preferably designed as an aluminum hollow piston, as a result of which coolant can be conducted through the first piston part and piston cooling is thereby advantageously achieved. The piston head has an underside on the side facing the nozzle, with the piston needle protruding from the center of the underside. The area of the bottom of the piston head minus the virtual area of the piston needle forms a piston area for creating a pressure on the material. The underside of the piston head is also cooled by the piston cooling and thereby locally reduces the viscosity of the melt or the plastic material on the piston crown. This prevents liquid melt from flowing in the direction of the drive device, which advantageously prevents the piston from jamming in the piston bushing and also prevents the melt from penetrating into the drive device. In addition, the material detaches more easily from the piston head or the underside of the piston head when it is pulled back, so that when the piston reaches a starting point or starting point, material in a solid phase or granules can be easily refilled without the Residual material sticks to the piston crown.
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.A temperature sensor is preferably attached to the underside of the piston head or to the piston head. Due to this arrangement of the temperature sensor, a piston-position-dependent thermal management of the print head is possible, which means that the material heats up more quickly without melting with the underside of the piston head comes into contact. As a result, an acceleration of a filling process of the print head can be achieved in an advantageous manner.
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.The piston head is designed as a cylindrical component and is preferably made from a thermally resistant material. The combination that the first piston part is made of aluminum and the piston head is made of steel, for example, has proven to be advantageous because the piston has an elastic upper area to absorb the mechanical stresses and a thermally resistant lower area in the area of the heated material .
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.Depending on the position of the plunger, the plunger needle protrudes only partially or completely through the bore of the kidney piece, as a result of which the plunger needle is advantageously guided in the central bore of the kidney piece.
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.The kidney piece has concentrically arranged openings, which form a fluidic connection between a cavity arranged in the piston sleeve and a melt space arranged in a lower part of the nozzle head.
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.The cavity is located within the plunger sleeve and is defined by a volume whose outer surface is formed by the inside of the plunger sleeve, the outside of the plunger needle, the top of the kidney piece and the bottom of the plunger.
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. Der 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.Inside the cavity, the material or the granulate is compressed by moving the piston over the underside of the piston head or the piston surface. During the compression of the material, the thermal management of the print head is set in such a way that no liquid phase of the material or no melt forms within the cavity, but the material is formed as a plastic phase. This advantageously ensures that no plasticized material adheres to the underside of the piston. However, during compression, part of the liquid phase or melt in the melt chamber is pushed out of the melt chamber through the concentrically arranged openings of the kidney piece and into the cavity of the piston bushing by the piston needle penetrating the melt chamber. In the process, parts of the melt mix with parts of the plastic phase. The melt releases energy into the plastic phase, which advantageously produces a more homogeneous material. The kidney piece thus forms a mixer, or a static mixer, since, apart from the piston movement, no further moving parts are advantageously required for mixing the plastic phase with the liquid phase. The configuration of the kidney piece thus advantageously ensures a diaphragm effect, which leads to better mixing of the material or the melt with the plasticized material.
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.The kidney piece conducts the heating energy of the heating element from the nozzle head both into the melt and into the plunger needle, which advantageously ensures improved energy management when heating up the melt.
Das Nierenstück kann in einer ersten Ausführung als ein separates Bauteil ausgeführt oder in einer zweiten Ausführung einstückig mit der Kolbenbuchse ausgebildet sein.In a first embodiment, the kidney piece can be designed as a separate component or, in a second embodiment, can be designed in one piece with the piston bushing.
Während eines Verdichtungsprozesses zur Herstellung von flüssiger Phase des Materials in der Prozesszone, ist die Düse verschlossen und die Kolbennadel ist derart in den Schmelzeraum eingetaucht, dass dadurch Teile der flüssigen Phase aus dem oberen Bereich des Schmelzeraums durch die Öffnungen des Nierenstücks aus der Schmelzezone zurück in die Mischzone verdrängt werden, wodurch sich die Teile der flüssigen Phase aus der Schmelzezone mit der plastischen Phase aus der Plastifizierungszone in der Mischzone vermischen. Während der Vermischung gibt die Schmelze Energie in die plastische Phase ab, wodurch in vorteilhafter Weise ein homogeneres Material erzeugt wird. Die Mischzone bildet mit den in ihr angeordneten Komponenten während des Verdichtungsprozesses 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 sind.During a compression process for the production of the liquid phase of the material in the process zone, the nozzle is closed and the plunger needle is immersed in the melt space in such a way that parts of the liquid phase from the upper area of the melt space flow through the openings of the kidney piece from the melt zone back into the mixing zone are displaced, whereby the parts of the liquid phase from the melt zone mix with the plastic phase from the plasticizing zone in the mixing zone. During mixing, the melt releases energy into the plastic phase, which advantageously produces a more homogeneous material. The mixing zone, together with the components arranged in it, forms a mixer or a static mixer during the compression process, since, apart from the piston movement, advantageously no further moving parts are required for mixing the plastic phase with the liquid phase.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.Further measures improving the invention are presented in more detail below together with the description of the preferred exemplary embodiments of the invention with the aid of figures.
Figurenlistecharacter list
Es zeigen:
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1 einen Druckkopf gemäß der Erfindung; -
2 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Druckkopfes; -
3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Druckkopfes; -
4 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des erfindungsgemäßen Druckkopfes; -
5 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Druckkopfes mit einem Druckverlauf und -
6 verschiedene Positionen eines Kolbens des erfindungsgemäßen Druckkopfes.
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1 a printhead according to the invention; -
2 a section of the print head according to the invention; -
3 a schematic representation of the print head according to the invention; -
4 a flow chart of a method according to the invention for operating the print head according to the invention; -
5 a section of the print head according to the invention with a pressure curve and -
6 different positions of a piston of the print head according to the invention.
Ausführungsbeispieleexemplary embodiments
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.The
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 TK 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.The
The
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.As a result of the cooling of the material 11, 12 on the
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.The
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.The injection device of the
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.The process of refilling requires the
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.The piston bushing 4 has an
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.The piston sleeve 4 has an obtuse angle at the
The design of the
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.A
The
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.A preferred task of the
Another task is to guide the
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.During a filling process of the
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.The
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.The
Ferner umfasst der Druckkopf 100 weitere Sensoren, wobei im Schmelzeraum 81 ein Drucksensor 83 für den Druck pL, und ein Temperatursensor 82 für die Temperatur TL 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 pH, vorgesehen sind. In einer alternativen Ausführung können die Sensoren 111, 112 auch am Kolben 3 des Druckkopfes 100 angeordnet sein.Furthermore, the
Die Temperatur TS, 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.The temperature T S , or the temperature profile of the
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.The state zones A, B, C, D, E of the
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 Tg 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.The
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.Furthermore, the
A partial area of the plasticizing zone B, the mixing zone C and a partial area of the melting zone D are arranged in the
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.A partial area of the melt zone D and the process zone E are arranged in the
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 Tg 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.It can be seen from the diagram that the temperature Ts of the
Die Temperatur TS 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 Tg, 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.The temperature T S must be set so that the granulate 10 can trickle into the
This effect is supported by the
Der Temperatursensor 36 am Kolbenboden 35 misst die Temperatur TK 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 Tg 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.The
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.During a compression process for the production of liquid phase 12 of the material in the process zone E, the
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.The control and
Maßgeblich für die aktive Regelung der Aktorvorrichtung 110 sind die von der Auswerteeinheit 114 empfangenen Sensorsignale und die aus den jeweiligen Werten berechneten Ergebnisse.The sensor signals received by the
Der Drucksensor 83 für den Druck pL, und der Temperatursensor 82 für die Temperatur TL 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 pH, sind an der Aktorvorrichtung 110 oder am Kolben 3 angeordnet.The
Ferner ist am Kolben 3 der Temperatursensor 36 für die Temperatur TK der plastischen Phase 11 des Materials angeordnet.Furthermore, the
Die durch gestrichelte Pfeile dargestellten Signale s, F, pH, TK, TL, pL 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.The signals s, F , pH, TK , TL , pL of the
- -
Befüllen 210 des Hohlraums 40mit druckbarem Material 10 durch dieZuführeinrichtung 2, - -
Verschließen 220 eines Öffnungsquerschnitts 21 der Kolbenbuchse 4 durch Vorschub, bzw. Verfahren desKolbens 3 ausgehend von einerStartposition 3a inRichtung der Düse 8, - -
Verdichten 230des Materials 10, - -
Umwandeln 240 des Materials von einer festenPhase 10 in eine flüssige Phase 12, - -
Ausbringung 250 der flüssigen Phase 12 des Materials aus der Düse 8 zum Drucken eines dreidimensionalen Bauteils 9bis eine Endposition 3z desKolbens 3 erreicht wird oder bis zur Fertigstellung des Bauteils 9, - -
Zurückfahren 260 desKolbens 3 indie Startposition 3a und - -
Wiederholung 270der Schritte 210bis 260 bis zur Beendigung desVerfahrens 200.
- - Filling 210 of the
cavity 40 withprintable material 10 by thefeed device 2, - - Closing 220 an
opening cross section 21 of the piston sleeve 4 by advancing or moving thepiston 3 starting from a startingposition 3a in the direction of thenozzle 8, - - compacting 230 of the
material 10, - - converting 240 the material from a
solid phase 10 to a liquid phase 12, - -
Delivery 250 of the liquid phase 12 of the material from thenozzle 8 for printing a three-dimensional component 9 until anend position 3z of thepiston 3 is reached or until the component 9 is completed, - -
Return 260 of thepiston 3 to the startingposition 3a and - - repeating 270
steps 210 to 260 until the end of themethod 200.
Zumindest das Verschließen 220, das Verdichten 230, das Umwandeln 240 und die Ausbringung 250 des Verfahrens 200 werden 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. At least the closing 220, the
Die Ausschnitte des dargestellten Druckkopfes 100 entsprechen dem des in den
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 pH während des Vorschubs des Kolbens 3 durch die Aktorvorrichtung 110 beim Verschließen 220 und Verdichten 230 dar, wobei der Kraft-, bzw. Drucksensor 112 an der Aktorvorrichtung 110 oder am Kolben 3 angeordnet ist.The upper curve represents a force, pressure curve for the force F exerted by the
Die untere Kurve im Diagramm 5a stellt einen Druckverlauf des Schmelzedrucks pL im Schmelzeraum 81 über dem Weg s des Kolbens 3 während des Verdichtens 230 dar. Der Drucksensor 83 für den Druck pL der flüssigen Phase 12, bzw. der Schmelze 12 ist im Schmelzeraum 81 angeordnet.The lower curve in diagram 5a represents a pressure profile of the melt pressure p L in the melt space 81 over the path s of the
Im zweiten Diagramm 5b ist ein Teilausschnitt der unteren Kurve des ersten Diagramms 5a dargestellt, wobei auch hier der Druckverlauf des Schmelzedrucks pL im Schmelzeraum 81 über dem Weg s des Kolbens 3 während des Verdichtens 230 dargestellt ist (Kurvenverlauf von pc zu pd).The second diagram 5b shows a partial section of the lower curve of the first diagram 5a, with the pressure profile of the melt pressure p L in the melt chamber 81 being shown here over the path s of the
Der Kraft-, Druckverlauf F, pH 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 pL 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.
The force and pressure curve F , pH increases from the starting
Anschließend wird der Kolben 3, 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 pH, sowie der Druck pL in der Schmelze 12 gemessen.The
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 5a dargestellten Kurven angesteuert wird. Die Flanke entsteht an einem Wechselpunkt pLc, Fc, pHc 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.The
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.By lowering the
Die Position 3c wird verfahrens- und materialbedingt mit einer Toleranz versehen, wodurch bei verschiedenen, nacheinander durchgeführten Befüllvorgängen 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 210 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.The
Nach Erreichen der Position 3c wird die Düse 8 des Druckkopfes 100 verschlossen.After reaching the
Das Vorverdichten ist abgeschlossen und zum Verdichten 230 wird der Kolben 3 ausgehend von Position 3c druckgesteuert vorgeschoben, bis ein vorab definierter Peakdruck pd erreicht wird und der Kolbenboden 35 auf die in
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.The so-called
Der hier beschriebene Haltevorgang dient zudem zur Analyse und zu einem Systemcheck des Druckkopfes 100, da sich folgende Effekte bei der Druckmessung des Drucks pL ergeben können. Ein Druckanstieg des Drucks pL in der Schmelze 12 würde bedeuten, dass die Schmelze 12 ausgast, weil beispielsweise die Temperatur TL zu hoch ist. Zu hohe Schmelzetemperaturen TL sind nicht gewünscht, da Luftplasma entstehen kann, was zu einem chemischen Zerfall führen würde.The holding process described here is also used for analysis and for a system check of the
Ein starker Druckabfall des Schmelzedrucks pL 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.A strong pressure drop in the melt pressure p L could mean, for example, that the system of the
Nach Ablauf des vordefinierten Zeitraums wird der Kolben 3 aus der Peakdruckposition 3d von der Aktorvorrichtung 110 druckgesteuert zurückgefahren, bis ein Zieldruck pe 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 pe wird die in
Der nun gemessene Druckunterschied zwischen dem Druck pd der Peakdruckposition 3d und dem Druck pe 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.The now measured pressure difference between the pressure p d of the
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.The spring constant results from the compressibility of the melt 12 and leads to a correction factor or shape factor that is required for the precise control of the
Aufgrund der Kompressibilität der Schmelze 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.Due to the compressibility of the melt, for example, 1.2 volume units of a geometric piston travel s covered by the
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 des bewegten Druckkopfes 100 beim Drucken erreicht. Das heißt, dass an jeder Druckposition bei jeder Bahngeschwindigkeit des Druckkopfes 100 die jeweils benötigte Menge Schmelze 12 auf das Bauteil 9 ausgebracht wird.This means that the
Anschließend wird der Druckprozess 250 über ein aktives Dekomprimieren durch ein Zurückziehen des Kolbens 3 vorbereitet.Subsequently, the
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.Depending on the spring constant determined, the
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 250 wird definiert von der Zielposition 3e und dem Weg zur in
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.Due to the effect described above, the melt 12 is compressed during the start of printing. The compression of the melt 12 in the melt chamber 81 at the start of printing is generated partly by friction at the nozzle opening of the
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.A uniform discharge of the melt 12 is achieved by intelligent control of the
Der Druckprozess 250 wird druckgeregelt durchgeführt, wobei der Druck pL der Schmelze 12 permanent über den Drucksensor 83 im Düsenkopf 6 gemessen wird. Der gemessene Druck pL 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.The
Der Druckprozess 250 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.The
Eine elektrisch angetriebene Aktorvorrichtung 110 erweist sich für diesen Fall als dynamisch und sehr effektiv.In this case, an electrically driven
Während des Druckprozesses 250 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.During the
Der Kolben 3 wird zum Druckstart entsprechend einer Bahngeschwindigkeit des Druckkopfes 100 von der Aktorvorrichtung 110 angesteuert, wodurch Schmelze 12 aus der Düse 8 ausgetragen wird.At the start of printing, the
Während des Druckprozesses 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, bzw. eine additive Menge an Material 12 zuzumischen. Falls beispielsweise ein additiver Sollwert 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 pL am Düsenkopf 6. Der additive Sollwert ist dabei 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.During the printing process, the control and
Durch den Vorschub des Kolbens 3 und der daraus resultierenden Druckerhöhung 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 250 die exakte Menge der Schmelze 12 aus der Düse 8 ausgetragen wird.The advance of the
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.The use of the
Der Druckprozess 250 ist maximal 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
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