DE102021204754A1 - A portal-type printing apparatus for building up three-dimensional components layer by layer - Google Patents

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Abstract

Ein Druckapparat in Portalbauweise zur Erstellung von dreidimensionalen Bauteilen in einem Schichtverfahren mit einem Baumaterial ist bekannt.Erfindungsgemäß ist ein solcher Druckapparat vorgesehen mita. einem XYZ-Portal,b. wenigstens einem Druckkopf, der stationär zu dem XYZ-Portal ist, undc. einem Förderbandaufbau, welcher relativ zu dem Portal beweglich gelagert ist, und ein bewegliches Förderband aufweist,d. sowie einer Steuereinheit, die zur Verlagerung des Förderbandaufbaus relativ zu dem wenigstens einen Druckkopf sowie zur Aktivierung des Druckkopfes und zum Antrieb des Förderbandes vorgesehen ist.Einsatz für 3D-DruckerA printing apparatus in portal design for creating three-dimensional components in a layering process with a building material is known. According to the invention, such a printing apparatus is provided witha. an XYZ portal, b. at least one printhead stationary to the XYZ gantry, andc. a conveyor belt assembly which is movably mounted relative to the portal and has a movable conveyor belt, d. and a control unit which is provided for displacing the conveyor belt assembly relative to the at least one print head and for activating the print head and driving the conveyor belt.Use for 3D printers

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckapparat in Portalbauweise, der dreidimensionale Objekte mit Hilfe eines Baumaterials schichtweise druckt hier auch bezeichnet als 3D-Drucker. Der Apparat besteht zumindest aber nicht ausschließlich aus: einem Rahmen mit einem XYZ Portal, wenigstens einem Druckkopf am Portal, einer Fördereinrichtung für das Druckmaterial, eine Druckpattform, die insbesondere ein Förderband aufweist und innerhalb des Portals angeordnet ist.The invention relates to a printing apparatus in portal design, which prints three-dimensional objects in layers using a building material, also referred to here as a 3D printer. The apparatus consists at least but not exclusively of: a frame with an XYZ gantry, at least one print head on the gantry, a conveying device for the printing material, a printing platform, which in particular has a conveyor belt and is arranged inside the gantry.

Die Erfindung betrifft einen 3D-Drucker, der auf einem Förderband in einem 45° Winkel druckt, wobei das Förderband eine der Achsen des 3D-Druckers darstellt. Das besondere hier ist, dass der Druckkopf des Druckers stationär ist und das Förderband in XY-Richtung unter dem Druckkopf bewegt wird.The invention relates to a 3D printer that prints on a conveyor belt at a 45° angle, with the conveyor belt representing one of the axes of the 3D printer. The special thing here is that the print head of the printer is stationary and the conveyor belt is moved in the XY direction under the print head.

3D-Drucker zur Herstellung von Objekten gibt es bereits seit einigen Jahren. Dabei können verschiedenen Verfahren zum Einsatz kommen. Darunter Verfahren bei denen Kunststoff schichtweise aufgetragen wird, Pulver schichtweise aufgebracht wird und andere Verfahren.3D printers for manufacturing objects have been around for a number of years. Various methods can be used for this. These include processes in which plastic is applied in layers, powder is applied in layers and other processes.

Bei den meisten 3D-Druckern werden dabei die Objekte Vertikal in einem 90° Winkel zum Druckbett aufgebaut und der Druckkopf in XYZ-Richtung bewegt oder das Druckbett in der unterschiedlichsten Kombination von XYZ.With most 3D printers, the objects are built up vertically at a 90° angle to the print bed and the print head is moved in the XYZ direction or the print bed in the most varied combination of XYZ.

Bei einer neueren Bauform druckt der 3D-Drucker auf einem Förderband, dass in einem 45° Winkel zum Druckkopf steht. Dabei bildet das Förderband unter anderem die Z-Achse und der Druckkopf wird unter anderem in XY-Richtung verfahren. Dabei fährt das Förderband pro gedruckter Schicht immer eine Schichthöhe weiter in Bezug zum 45° Winkel zum Druckkopf. Dies hat den Vorteil, dass dadurch das Bauteil größer sein kann als der eigentliche Bauraum und eine vollautomatische Serienproduktion mit einem solchen Drucker möglich wird. Dies ist bereits bekannt aus der WO 2018/194446 A1 .In a newer design, the 3D printer prints on a conveyor belt that is at a 45° angle to the print head. The conveyor belt forms the Z axis, among other things, and the print head is moved in the XY direction, among other things. The conveyor belt always moves one layer higher for each printed layer in relation to the 45° angle to the print head. This has the advantage that the component can be larger than the actual installation space and fully automatic series production with such a printer is possible. This is already known from WO 2018/194446 A1 .

Möchte man einen besonders schweren Druckkopf z.B. einen Kunststoffextruder im Drucker montieren, muss eine sehr schwere Masse bewegt werden, wodurch nur sehr geringe Druckgeschwindigkeiten möglich sind und der Bau des Druckers konstruktiv sehr aufwendig wird.If you want to mount a particularly heavy print head, e.g. a plastic extruder, in the printer, a very heavy mass has to be moved, which means that only very low printing speeds are possible and the construction of the printer is very complex in terms of construction.

Ein weiteres Problem ist, dass schichtweise 3D-Druckverfahren im Vergleich zum Spritzgussverfahren viel Zeit benötigen, um ein Bauteil herzustellen. Dies wird durch die Erfindung gelöst, indem mehrere Druckköpfe stationär montiert werden können, mit denen gleichzeitig gedruckt werden kann.Another problem is that layer-by-layer 3D printing processes take a long time to produce a part compared to injection molding processes. This is solved by the invention in that several print heads can be mounted in a stationary manner, with which printing can be carried out simultaneously.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckapparat der eingangs genannten Art zu schaffen, der erweiterte Einsatzmöglichkeiten hat.It is the object of the invention to create a printing apparatus of the type mentioned at the outset which has expanded application possibilities.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, auf den hiermit Bezug genommen wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, nun einen neuen Aufbau eines Förderband-3D-Druckers zu entwickeln, bei dem das Gewicht des Druckkopfes keine Rolle spielt und bei dem mit sehr vielen Druckköpfen gleichzeitig gedruckt werden kann, wodurch größere Durchsätze zu verringerten Kosten als mit anderen 3D-Druckern erreicht werden können. Ein solcher 3D-Drucker wäre eine Alternative zum Spritzgussverfahren in Geschwindigkeit und Kosten, ohne Wartezeiten für Werkzeuge und komplizierte Entwicklung der Bauteile sowie einfacher Individualisierung der Bauteile.This object is solved by the features of claim 1, to which reference is hereby made. According to the invention, it is now intended to develop a new construction of a conveyor belt 3D printer in which the weight of the print head is irrelevant and in which a large number of print heads can be used to print simultaneously, resulting in greater throughputs at reduced costs than with other 3D printers can be reached. Such a 3D printer would be an alternative to injection molding in speed and cost, without waiting for tooling and complicated development of the parts, as well as easy customization of the parts.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen nicht den Druckkopf in XY-Richtung zu bewegen, sondern das Förderband, da bei besonders großen Extrudern das Gewicht des Förderbandes deutlich geringer ausfallen kann als der Druckkopf. In einer besonderen Ausgestaltung wird dabei die Förderrolle des Förderbandes durch einen Schrittmotor in der Rolle angetrieben. Erfindungsgemäß ist eine vorzugsweise elektronische Steuereinheit vorgesehen, die zur Verlagerung des Förderbandaufbaus relativ zu dem wenigstens einen Druckkopf sowie zur Aktivierung des Druckkopfes und zum Antrieb des Förderbandes vorgesehen ist.According to the invention, it is proposed not to move the print head in the XY direction, but rather the conveyor belt, since the weight of the conveyor belt can be significantly lower than the print head in particularly large extruders. In a special embodiment, the conveyor roller of the conveyor belt is driven by a stepping motor in the roller. According to the invention, a preferably electronic control unit is provided, which is provided for displacing the conveyor belt assembly relative to the at least one print head and for activating the print head and driving the conveyor belt.

Zusätzlich ist es sehr leicht möglich stationär noch weitere Extruder hinzuzufügen, die gleichzeitig auf dem Förderband drucken können.In addition, it is very easy to add more stationary extruders that can print on the conveyor belt at the same time.

In einigen Ausführungsformen kann der Druckkopf als Baumaterial Kunststoffgranulat verwenden und diesen unter anderem mit einer Extruderschnecke fördern, um das dreidimensionale Bauteil zu erstellen.In some embodiments, the print head can use plastic granulate as the building material and convey it with an extruder screw, among other things, in order to create the three-dimensional component.

In einigen Ausführungsformen kann der Druckkopf Filament, also eine Endlosschnur, an Material einsetzen.In some embodiments, the print head can use filament, i.e. an endless string of material.

In einigen Ausführungsformen ist es möglich, mehr als einen Druckkopf stationär am Drucker zu befestigen.In some embodiments, it is possible to have more than one printhead fixedly attached to the printer.

In einigen Ausführungsformen ist es möglich die Druckköpfe mit einem Verfahrtisch in Y und Z Richtung zu verfahren, um den Abstand der Druckdüse optimal einzustellen. Wobei hier mit Z-Richtung nicht die Verfahrrichtung des Förderbandes gemeint ist, sondern eine Bewegung in die Vertikale. Dies kann wahlweise manuell oder automatisch passieren wahlweise auch mit einem Nivellierungssensor, der den Abstand automatisch einstellt. Der Vorteil hier ist, dass nur eine Linie auf das Förderband kalibriert werden muss und das ist auch der Grund, warum ein solcher Aufbau nicht mit einem Drucker ohne Förderband funktioniert, da hier das gesamte Bett auf alle Druckköpfe sehr genau kalibriert werden müsste. Bei einem Drucker der hier beschriebenen Bauform ist dies nicht der Fall, da der Druck das Förderband immer nur mit einer Linie berührt.In some embodiments it is possible to move the print heads with a traversing table in the Y and Z direction in order to optimally set the distance between the print nozzles. The Z-direction does not mean the direction of travel of the conveyor belt, but a vertical movement. This can happen either manually or automatically, optionally with a leveling sensor that automatically adjusts the distance. The advantage here is that only one line needs to be calibrated to the conveyor and this is also the reason why such a setup will not work with a printer without a conveyor as the whole bed would have to be calibrated very precisely to all the printheads. This is not the case with a printer of the type described here, since the print always only touches the conveyor belt with a line.

In einigen Ausführungsformen ist es möglich, den Verfahrtisch dazu zu nutzen nur wenige oder wahlweise auch nur einen Druckkopf auf den Belt (das Förderband) zu nivellieren, so dass mit einem Druckkopf das gesamte Förderband bedruckt werden kann. Dadurch wird der Bauraum wahlweise deutlich vergrößertIn some embodiments, it is possible to use the traversing table to level only a few print heads or, alternatively, only one print head on the belt (conveyor belt), so that the entire conveyor belt can be printed with one print head. As a result, the installation space is optionally significantly increased

In einigen Ausführungsformen sind die Granulatextruder so angeordnet, dass Granulat von nur einer Seite eingefüllt werden muss und dadurch aber alle Extruder gleichmäßig befüllt werden, vorzugsweise aber nicht ausschließlich nach Art eines Überlaufes.In some embodiments, the granulate extruders are arranged in such a way that granulate has to be filled in from only one side, and as a result all extruders are filled evenly, but preferably not exclusively in the manner of an overflow.

Jeder Druckkopf soll mit einer Kamera zur Überwachung des Druckvorgangs ausgestattet sein. Wobei die Kamera vorzugsweise, aber nicht ausschließlich mit einem Spiegel befestigt ist, damit die Kamera platzsparend und mit dem richtigen Fokus und Sichtbereich montiert werden kann. Die Kamera wird mit einer Software verknüpft, die den Druckvorgang überwacht, Fehler erkennt, Benachrichtigungen an den Bediener sendet, Fehler korrigiert und automatisch neue Druckvorgänge startet. Das System ist an die elektronische Steuereinheit angeschlossen.Each print head should be equipped with a camera to monitor the printing process. Where the camera is preferably but not exclusively mounted with a mirror to allow the camera to be mounted in a space saving manner and with the correct focus and field of view. The camera is linked to software that monitors the printing process, detects errors, sends notifications to the operator, corrects errors and automatically starts new prints. The system is connected to the electronic control unit.

In einigen Ausführungsformen wird vorne am Förderband eine Kunststofflippe angebracht, die sämtliche Reste vom Druckvorgang und die gedruckten Bauteile vom Förderband entfernt. Dieses Stück Kunststofffolie kann wahlweise sehr gute Gleiteigenschaften haben und sollte Ihre Steifigkeit über einen langen Zeitraum von mindestens einem Jahr nicht verlieren. Durch die Folie, d. h. durch die Kunststofflippe, ist es zusätzlich möglich, gedruckte Bauteile in eine Vorzugsrichtung zu entfernen.In some embodiments, a plastic lip is attached to the front of the conveyor belt that removes any residue from the printing process and the printed components from the conveyor belt. This piece of plastic foil can optionally have very good sliding properties and should not lose its rigidity over a long period of at least one year. Through the foil, i. H. thanks to the plastic lip, it is also possible to remove printed components in a preferred direction.

In einigen Ausführungsformen speist ein Kunststoffextruder eine Lochplatte mit mehreren 3D-Druck-Düsen, so dass mit nur einem Extruder mehrere Bauteile gedruckt werden können. Dies hat den Vorteil, dass mit nur einem Extruder ein 3D-Drucker einen sehr hohen Durchsatz an Bauteilen schaffen kann. Die Extruderschnecke kann wahlweise mit einer Hydraulik ausgestattet sein, ähnlich wie bei einer Spritzgussmaschine, um den Materialfluss und Druck durch die Düsen besser kontrollieren zu können.In some embodiments, a plastic extruder feeds a die plate with multiple 3D printing nozzles, allowing multiple parts to be printed with a single extruder. This has the advantage that a 3D printer can create a very high throughput of components with just one extruder. The extruder screw can optionally be equipped with hydraulics, similar to an injection molding machine, to better control the material flow and pressure through the nozzles.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt:The invention is to be explained in more detail below with reference to figures without restricting the general inventive idea. It shows:

1 eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der ein Kunststoffextruder zum Einsatz kommt, bei dem als Lochplatte oder auch Werkzeug eine Platte genutzt wird, auf der nur eine oder mehrere 3D-Druck-Düsen angebracht sind, so dass mit nur einem Extruder mit mehreren Düsen gleichzeitig auf einem Förderband gedruckt werden kann, dass in XY-Richtung verfahren werden kann, wobei die Bewegungsrichtung des Förderbandes die Z-Achse darstellen kann. 1 zeigt einen Motor 1, einen Hopper 2 zur Zuführung von Kunststoffgranulat, eine Extruderschnecke 3, eine Lochplatte oder auch Werkzeug 4 und einen Behälter oder auch Förderband 5 auf das die fertig gedruckten Teile fallen. 1 an embodiment of the invention in which a plastic extruder is used, in which a plate is used as a perforated plate or tool, on which only one or more 3D printing nozzles are attached, so that with only one extruder with several nozzles at the same time can be printed on a conveyor belt that can be moved in the XY direction, and the direction of movement of the conveyor belt can represent the Z axis. 1 shows a motor 1, a hopper 2 for feeding plastic granules, an extruder screw 3, a perforated plate or tool 4 and a container or conveyor belt 5 onto which the finished printed parts fall.

2 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie 1. Allerdings ist hier die Lochplatte oder auch das Werkzeug anders angeordnet. Die Erfindung beschränkt sich nicht nur ausschließlich auf die beiden Ausgestaltungen wie in 1 und 2, sondern auch auf alle anderen Ausgestaltungen eines Ausgangs für einen Kunststoffextruder mit einer oder mehreren 3D-Druckdüsen zum Drucken auf einem Förderband. In 2 sind die gleichen Bezugszeichen für funktionsgleiche Teile und Abschnitte verwendet wie in 1. 2 shows a structure similar to 1 . However, the perforated plate or the tool is arranged differently here. The invention is not limited solely to the two configurations as in 1 and 2 , but also to all other configurations of an output for a plastic extruder with one or more 3D printing nozzles for printing on a conveyor belt. In 2 the same reference numbers are used for functionally identical parts and sections as in 1 .

3 zeigt eine andere Ausgestaltung des hier gezeigten 3D-Druckers, bei dem für jede Düse ein einzelner Druckkopf mit Fördereinheit für Material zum Einsatz kommt, wobei hier sowohl Filament als auch Kunststoffgranulat verwendet werden kann. Der Aufbau für das Förderband ist in XY-Richtung verschiebbar und die Bewegungsrichtung des Förderbands bildet die Z-Achse aus. 3 zeigt einen stationären Extruder mit 3D-Druckdüse 6, ein Förderband 7, welches die Z-Achse darstellt, und einen Schaltkasten 8 zur Unterbringung der Elektronik. 3 shows another embodiment of the 3D printer shown here, in which a single print head with a conveying unit for material is used for each nozzle, whereby both filament and plastic granulate can be used here. The structure for the conveyor belt can be moved in the XY direction and the direction of movement of the conveyor belt forms the Z axis. 3 shows a stationary extruder with 3D printing nozzle 6, a conveyor belt 7, which represents the Z-axis, and a control box 8 for housing the electronics.

4 zeigt eine andere Variante von 3, bei der nur eine 3D-Druckdüse genutzt wird, um mit demselben Drucker größere Bauteile zu fertigen, indem der gesamte Bauraum von nur einer Düse genutzt wird. Die in 3 und 4 gewählten Bezugszeichen werden für funktionsgleiche Abschnitte und Teile verwendet. Bei 4 können mehrere Extruder gleichzeitig auf dem Förderband drucken. 4 shows another variant of 3 , which uses only one 3D printing nozzle to produce larger components with the same printer by using the entire build space of just one nozzle. In the 3 and 4 selected reference symbols are used for functionally identical sections and parts. at 4 multiple extruders can print on the conveyor at the same time.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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  • WO 2018/194446 A1 [0005]WO 2018/194446 A1 [0005]

Claims (1)

Ein Druckapparat in Portalbauweise zur Erstellung von dreidimensionalen Bauteilen in einem Schichtverfahren mit einem Baumaterial bestehend zumindest aus: a. einem XYZ-Portal b. wenigstens einem Druckkopf, der stationär zu dem XYZ-Portal ist, und c. einem Förderbandaufbau, welcher relativ zu dem Portal beweglich gelagert ist, und ein bewegliches Förderband aufweist, d. sowie einer Steuereinheit, die zur Verlagerung des Förderbandaufbaus relativ zu dem wenigstens einen Druckkopf sowie zur Aktivierung des Druckkopfes und zum Antrieb des Förderbandes vorgesehen ist.A portal-type printing apparatus for the production of three-dimensional components in a layering process with a construction material consisting at least of: a. an XYZ portal b. at least one printhead stationary to the XYZ gantry, and c. a conveyor belt assembly which is movably mounted relative to the portal and has a movable conveyor belt, i.e. and a control unit arranged to displace the conveyor belt assembly relative to the at least one print head and activate the print head and drive the conveyor belt.
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