DE102022104240A1 - Druckkopf für einen 3D-Drucker sowie Verfahren zum Herstellen wenigstens eines Bauelements durch 3D-Drucken - Google Patents

Druckkopf für einen 3D-Drucker sowie Verfahren zum Herstellen wenigstens eines Bauelements durch 3D-Drucken Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf (2) zum 3D-Drucken von Bauelementen (9), mit einem Gehäuse (3), welches einen Reservoirbereich (4) aufweist, in welchem ein Werkstoff (5), aufnehmbar ist. Das Gehäuse (3) weist eine Austrittöffnung (6) auf, über welche der Werkstoff (5) aus dem Gehäuse (3) an dessen Umgebung (7) abführbar und dadurch von dem Druckkopf (2) bereitstellbar und auf ein Substrat (8) aufbringbar ist. Vorgesehen ist eine drehbar an dem Gehäuse (3) gehaltene und die Austrittsöffnung (6) durchdringende Kugel (10), welche auf ihrer dem Reservoirbereich (4) zugewandten Seite (S1) mit dem flüssigen oder pastösen Werkstoff (5) aus dem Reservoirbereich (4) versehbar und auf dem Substrat (8) abrollbar und dadurch relativ zu dem Gehäuse (3) drehbar ist, wodurch zum 3D-Drucken des jeweiligen Bauelements (9) mittels der Kugel (10) der flüssige oder pastöse Werkstoff (5) aus dem Reservoirbereich (4) durch die Austrittsöffnung (6) hindurchförderbar und auf das Substrat (8) aufbringbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker zum 3D-Drucken von Bauelementen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beziehungsweise 4. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen wenigstens eines Bauelements durch 3D-Drucken.
  • Der DE 10 2016 224 047 A1 ist ein Druckkopf für einen 3D-Drucker als bekannt zu entnehmen, umfassend ein Gehäuse, eine Vorrichtung zur Zuführung eines Metalls, einen Kolben, ein Reservoir mit einer Austrittsöffnung und ein Aktor-Vorrichtung zur Verschiebung des Kolbens. Die EP 2 914 563 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Grünkörpers. Aus der EP 2 923 823 B1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers bekannt. Außerdem offenbart die EP 1 459 871 B1 ein Verfahren zur Herstellung eines 3-dimensionalen Objekts.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druckkopf für einen 3D-Drucker sowie ein Verfahren zum Herstellen wenigstens eines Bauelements durch 3D-Drucken zu schaffen, sodass das Bauelement besonders präzise hergestellt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Druckkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch einen Druckkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker zum 3D-Drucken von Bauelementen. Das 3D-Drucken ist ein generatives Fertigungsverfahren, welches auch als generative Fertigung, additive Fertigung oder additives Fertigungsverfahren bezeichnet wird. Der Druckkopf weist einen auch als Aufnahmebereich oder Reservoir bezeichneten Reservoirbereich auf, welcher innerhalb des Gehäuses angeordnet und insbesondere direkt durch das Gehäuse begrenzt ist. In dem Reservoirbereich ist ein Werkstoff, aus welchem das jeweilige Bauelement herzustellen ist beziehungsweise durch das 3D-Drucken hergestellt wird, in flüssigem oder pastösem Zustand des Werkstoffs zumindest vorrübergehend aufnehmbar oder aufgenommen. Wenn im Folgenden die Rede von dem Zustand des Werkstoffs ist, so ist auch unter, falls nichts anderes angegeben ist, der flüssige oder pastöse Zustand des Werkstoffs zu verstehen. Unter dem Merkmal, dass der Werkstoff in dem Reservoirbereich in flüssigem oder pastösem Zustand des Werkstoffs aufnehmbar oder aufgenommen ist, ist zu verstehen, dass der Werkstoff beispielsweise in flüssigem oder pastösem Zustand des Werkstoffs in den Reservoirbereich einleitbar ist oder eingeleitet wird, oder aber der Werkstoff ist oder wird in festem Zustand des Werkstoffs in den Reservoirbereich einleitbar oder eingeleitet und in dem Reservoirbereich aus dem festem Zustand in den flüssigen oder pastösen Zustand des Werkstoffs überführt, insbesondere dadurch, dass der Werkstoff, insbesondere in dem Reservoirbereich beziehungsweise während er in dem Reservoirbereich ist, erwärmt wird. Unter dem pastösen Zustand ist ein pastenartiger oder teigiger Zustand des Werkstoffs zu verstehen. Mit anderen Worten ist der Werkstoff in seinem pastösen Zustand eine Paste, mithin eine auch als Suspension bezeichnetes Feststoff-Flüssigkeitsgemisch insbesondere mit einem hohen Gehalt an Festkörpern, wobei die Paste, im Gegensatz zu einer Flüssigkeit, nicht (mehr) fließfähig, sondern streichfest ist. Unter dem flüssigen Zustand des Werkstoffs ist zu verstehen, dass der Werkstoff eine Flüssigkeit ist, mithin flüssig ist.
  • Beispielsweise weist das Gehäuse, insbesondere wenigstens oder genau, eine Eintrittsöffnung auf, über welche der Werkstoff, insbesondere in dem pastösen oder flüssigen Zustand oder in festem Zustand, in das Gehäuse und insbesondere in den Reservoirbereich einbringbar, insbesondere einleitbar, ist, insbesondere von außerhalb des Gehäuses. Beispielsweise wird der Werkstoff als ein insbesondere als ein Festkörper ausgebildeter Draht und somit in festem Zustand, mithin in festem Aggregatszustand, insbesondere über die Eintrittsöffnung in das Gehäuse und insbesondere in den Reservoirbereich eingebracht. Beispielsweise wird der Draht in dem Reservoirbereich erwärmt, wodurch der Werkstoff in den flüssigen oder pastösen Zustand überführt, insbesondere geschmolzen, wird. Somit ist der Werkstoff in seinem flüssigen oder pastösen Zustand zumindest vorrübergehend in dem Reservoirbereich aufnehmbar oder aufgenommen.
  • Das Gehäuse weist, insbesondere wenigstens oder genau, eine Austrittsöffnung auf, über welche zum 3D-Drucken des jeweiligen Bauelements der Werkstoff, insbesondere in dem flüssigen oder pastösen Zustand des Werkstoffs aus dem Reservoirbereich und aus dem Gehäuse an eine Umgebung des Gehäuses abführbar und dadurch von dem Druckkopf bereitstellbar, insbesondere ausspritzbar, und auf ein Substrat aufbringbar ist.
  • Insbesondere kann hierdurch der Werkstoff, insbesondere in dem flüssigen oder pastösen Zustand des Werkstoffs, mittels des Druckkopfes auf das Substrat aufgedruckt werden, wodurch das Bauelement auf das Substrat aufgedrückt wird. Mit anderen Worten, um das Bauelement durch das 3D-Drucken herzustellen, wird der Werkstoff in dem flüssigen oder pastösen Zustand des Werkstoffs aus dem Reservoirbereich und aus dem Gehäuse oder die Austrittsöffnung abgeführt und hierdurch an die Umgebung geleitet und auf das Substrat aufgebracht, mithin aufgedruckt. Insbesondere wird beispielsweise der Werkstoff, insbesondere in dem flüssigen oder pastösen Zustand des Werkstoffs, durch die Austrittsöffnung hindurchgefördert und somit über die Austrittsöffnung an die Umgebung gefördert und auf das Substrat aufgebracht, insbesondere aufgedruckt, während der Druckkopf relativ zu dem Substrat bewegt wird, insbesondere entlang wenigstens oder genau einer Bewegungsbahn. Hierdurch können der Werkstoff und somit das Bauelement entlang der Bewegungsbahn auf das Substrat aufgebracht und somit aufgedruckt werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Druckkopf entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung und beispielsweise auch entlang einer dritten Richtung relativ zu dem Substrat bewegbar ist oder bewegt wird, insbesondere während der Werkstoff insbesondere in dem flüssigen oder pastösen Zustand des Werkstoffs aus dem Reservoirbereich und somit aus dem Gehäuse durch die Austrittsöffnung hindurchgefördert und somit an die Umgebung geleitet oder gefördert und auf das Substrat aufgebracht wird. Insbesondere ist es denkbar, dass die erste Richtung senkrecht zur zweiten Richtung verläuft. Insbesondere ist denkbar, dass die dritte Richtung senkrecht zur ersten Richtung und senkrecht zur zweiten Richtung verläuft. Die erste Richtung und die zweite Richtung spannen eine Bewegungsebene auf, wobei es denkbar ist, dass der Druckkopf in der Bewegungsebene relativ zu dem Substrat bewegbar ist oder bewegt wird, insbesondere während über die Austrittsöffnung der Werkstoff aus dem Reservoirbereich und aus dem Gehäuse, insbesondere in dem flüssigen oder pastösen Zustand des Werkstoffs, auf das Substrat aufgebracht wird. Hierdurch kann das Bauelement mit einer bedarfsgerechten und insbesondere auch komplexen Form auf das Substrat aufgebracht, das heißt aufgedruckt werden, und zwar auf zeit- und kostengünstige Weise. Beispielsweise verläuft die Bewegungsbahn in der Bewegungsebene.
  • Der Druckkopf eignet sich besonders gut zum Herstellen einer jeweiligen Leiterbahn als das jeweilige Bauelement. Mit anderen Worten ist es beispielsweise denkbar, dass eine jeweilige Leiterbahn als das jeweilige Bauelement herstellbar ist oder hergestellt wird. Dabei wird beispielsweise als der Werkstoff ein elektrisch leitfähiger Werkstoff, insbesondere ein metallischer Werkstoff, verwendet, wobei es denkbar ist, dass der Werkstoff beispielsweise zumindest Zinn, insbesondere zumindest ein Lötzinn, umfasst oder ist. Insbesondere ist es diesbezüglich denkbar, dass das Substrat eine Platte, insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Material, ist, wobei durch das Aufbringen, insbesondere Aufdrucken, des Werkstoffs und somit des Bauelements, insbesondere der Leiterbahn, auf die Platte das Bauelement, insbesondere die Leiterbahn, mit der Platte verbunden wird. Die Platte und das auf die Platte aufgebrachte, insbesondere aufgedruckte, Bauelement bilden eine Baueinheit, welche eine auch als Leiterplatte, Leiterkarte, Platine, gedruckte Schaltung oder Leiterplatine bezeichnet wird. Somit wird der Druckkopf insbesondere verwendet, um die Baueinheit und somit das jeweilige Bauelement herzustellen. Insbesondere ist es denkbar, dass der Druckkopf Bestandteil eines einfach auch als Drucker bezeichneten 3D-Druckers ist, mittels welchem das jeweilige Bauelement, insbesondere die Baueinheit, herstellbar ist oder hergestellt wird. Der Druckkopf wird auch als erster Druckkopf bezeichnet. Wenn im Folgenden die Rede von dem Druckkopf ist, so ist auch unter, falls nichts anderes angegeben ist, der erster Druckkopf zu verstehen, mittels welchem das insbesondere als Leiterbahn ausgebildete Bauelement herstellbar ist oder hergestellt wird. Beispielsweise umfasst der Drucker einen zusätzlich zu dem ersten Druckkopf vorgesehenen, zweiten Druckkopf, mittels welchem beispielsweise das Substrat, insbesondere die Platte, durch 3D-Drucken herstellbar ist oder hergestellt wird. Somit ist es beispielsweise denkbar, dass mittels des zweiten Druckkopfes zunächst zumindest ein Teilbereich des Substrats durch 3D-Drucken hergestellt wird. Insbesondere daraufhin wird beispielsweise mittels des ersten Druckkopfes zumindest ein Teil des Bauelements, insbesondere Leiterbahn, auf den bereits hergestellten Teilbereich des Substrats aufgedruckt, insbesondere dadurch, dass der Werkstoff insbesondere in dem flüssigen oder pastösen Zustand des Werkstoffs aus dem Reservoirbereich durch die Austrittsöffnung hindurchgefördert und somit über die Austrittsöffnung aus dem Reservoirbereich und aus dem Gehäuse an die Umgebung gefördert und dabei auf den Teilbereich aufgebracht und somit aufgedruckt wird, um dadurch das Bauelement auf den Substrat durch 3D-Drucken herzustellen. Unter dem zuvor genannten, elektrisch isolierenden Material ist ein elektrisch nichtleitendes Material, mithin ein Isolierstoff zu verstehen, welcher insbesondere als ein Nichtleiter ausgebildet ist, dessen elektrische Leitfähigkeit weniger als 10-8Scm-1, insbesondere zumindest 1010Scm-1, beträgt.
  • Beispielsweise nach dem Aufbringen, insbesondere Aufdrucken, des insbesondere zunächst flüssigen oder pastösen Werkstoffs auf das Substrat härtet der Werkstoff aus, sodass der Werkstoff und somit das Bauelement fest wird. Hierdurch wird das oder ist das Bauelement, insbesondere in seinem vollständig hergestellten Zustand, ein Festkörper.
  • Um nun das Bauelement besonders präzise herstellen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Druckkopf eine, insbesondere frei, drehbar an dem Gehäuse gehaltene und die Austrittsöffnung durchdringende, das heißt durchsetzende Kugel aufweist. Mit anderen Worten ist die Kugel derart an dem Gehäuse gehalten, dass die Kugel die Austrittsöffnung durchdringt, sodass ein erster Teil der Kugel innerhalb des Gehäuses und ein zweiter Teil der Kugel außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Dabei ist die Kugel außerdem vorzugsweise derart an dem Gehäuse gehalten, dass die Kugel, insbesondere frei, relativ zu dem Gehäuse drehbar und gegen ein Herausfallen aus dem Gehäuse gesichert ist. Außerdem ist die Kugel beispielsweise derart an dem Gehäuse gehalten, dass die Kugel gegen ein Hineinbewegen in das Gehäuse gesichert ist. Insbesondere ist die Kugel derart an dem Gehäuse gehalten, dass in radialer Richtung der Kugel erfolgende Relativbewegungen zwischen der Kugel und dem Gehäuse vermieden, das heißt unterbunden sind. Die Kugel ist dabei, insbesondere um sich selbst und/oder um wenigstens eine Drehachse, insbesondere um wenigstens zwei senkrecht zueinander verlaufende Drehachsen, relativ zum Gehäuse drehbar, wobei die jeweilige Drehachse beispielsweise durch den Mittelpunkt der Kugel hindurchverlaufen kann. Insbesondere ist die Kugel frei relativ zu dem Gehäuse drehbar, sodass die Kugel sozusagen um unendlich viele Drehachsen relativ zu dem Gehäuse drehbar ist. Ganz insbesondere ist die Kugel nach Art eines auch als Kugelstift bezeichneten Kugelschreibers, das heißt nach Art einer Schreibkugel eines auch als Kugelstift bezeichneten Kugelschreibers drehbar an dem Gehäuse gehalten. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt weisen das Gehäuse und die daran gehaltene Kugel des erfindungsgemäßen Druckkopfes zumindest hinsichtlich der Halterung der Kugel an dem Gehäuse einen Aufbau wie ein Kugelschreiber auf, unter welchem ein Schreibgerät zu verstehen ist, welches eine beispielsweise als Tintenpaste ausgebildete Schreibpaste mittels der zuvor genannten Schreibkugel auf ein Papier übertragen kann, um dadurch beispielsweise auf das Papier Wörter zu schreiben und/oder Bilder zu malen. Wenn im Folgenden die Rede von der Kugel ist, so ist darunter, falls nichts anderes angegeben ist, die Kugel des erfindungsgemäßen Druckkopfes zu verstehen. Die Kugel ist auf ihrer dem Reservoirbereich zugewandten Seite mit dem flüssigen oder pastösen Werkstoff aus dem Reservoirbereich versehbar. Mit anderen Worten kann die Kugel auf ihrer dem Reservoirbereich zugewandten Seite den flüssigen oder pastösen Werkstoff aufnehmen, insbesondere derart, dass der flüssige oder pastöse Werkstoff in dem Reservoirbereich in insbesondere direktem Kontakt mit dem Reservoirbereich zugewandten Seite der Kugel steht, kommt oder kommen kann. Die Kugel ist, insbesondere direkt, auf dem Substrat abrollbar und dadurch relativ zu dem Gehäuse drehbar, wodurch zum 3D-Drucken des jeweiligen Bauelements mittels der Kugel der flüssige oder pastöse Werkstoff aus dem Reservoirbereich durch die Austrittsöffnung hindurchförderbar und auf das Substrat aufbringbar ist. Mit anderen Worten, um den flüssigen oder pastösen Werkstoff aus dem Reservoirbereich und somit aus dem Gehäuse durch die Austrittsöffnung hindurchzufördern und auf das Substrat aufzubringen, insbesondere aufzudrucken, wodurch das Bauelement auf das Substrat aufgedruckt wird, wird der Druckkopf derart relativ zu dem Substrat bewegt, dass die Kugel in insbesondere direkten Kontakt mit dem Substrat gebracht wird und dabei insbesondere gegen das Substrat gedrückt wird. Dann wird beispielsweise das Gehäuse entlang der wenigstens einen Bewegungsbahn relativ zu dem Substrat, insbesondere translatorisch, bewegt, während die Kugel in insbesondere direktem Kontakt mit dem Substrat steht, und insbesondere während die Kugel gegen das Substrat gedrückt wird. Hierdurch rollt die Kugel, insbesondere direkt, an oder auf dem Substrat ab, und die Kugel dreht sich relativ zu dem Gehäuse. Durch dieses relativ zu dem Gehäuse erfolgende Drehen der Kugel, indem die Kugel auf dem Substrat abgerollt wird, wird die Kugel in unterschiedliche Drehstellungen relativ zu dem Gehäuse gedreht. In der jeweiligen Drehstellung ist eine jeweilige, erste Seite der Kugel dem Reservoirbereich zugewandt, und eine insbesondere von der ersten Seite abgewandte, jeweilige zweite Seite der Kugel ist dem Substrat zugewandt, wobei insbesondere zumindest ein Teil der zweiten Seite das Substrat direkt berührt, insbesondere dadurch, dass die Kugel in insbesondere direktem Kontakt mit dem Substrat steht oder ist. Da die zuvor genannte, erste Seite dem Reservoirbereich zugewandt ist, wird die erste Seite mit dem flüssigen oder pastösen Werkstoff aus dem Reservoirbereich versehen, insbesondere dadurch, dass die Kugel auf ihrer dem Reservoirbereich zugewandten, ersten Seite den flüssigen oder pastösen Werkstoff aus dem Reservoirbereich aufnimmt, insbesondere wie beispielsweise eine Schreibkugel eines Kugelschreibers auf ihrer einem Tank zugewandten Schreibkugelseite die in dem Tank aufgenommene Schreibpaste aufnimmt. Wird dann das Gehäuse entlang der wenigstens einen Bewegungsbahn relativ zu dem Substrat, insbesondere translatorisch, bewegt, sodass die Kugel relativ zu dem Gehäuse gedreht wird, insbesondere derart, dass die Kugel zumindest oder genau einmal vollständig relativ zu dem Gehäuse gedreht wird, so wird die zunächst dem Reservoirbereich zugewandte und in dem Gehäuse angeordnete, erste Seite, auf der die Kugel den flüssigen oder pastösen Werkstoff aus dem Reservoirbereich aufnimmt oder aufgenommen hat, durch die Austrittsöffnung hindurchbewegt und somit aus dem Gehäuse herausbewegt und an die Umgebung bewegt, derart, dass dann die erste Seite der Kugel dem Substrat zugewandt ist und zumindest ein Teil der ersten Seite in direkten Kontakt mit dem Substrat kommt, und sodass die zunächst dem Substrat zugewandte, außerhalb des Gehäuses und somit an der Umgebung angeordnete, zweite Seite der Kugel durch die Austrittsöffnung hindurchbewegt und in das Gehäuse hineinbewegt wird, derart, dass dann die zweite Seite dem Reservoirbereich zugewandt ist und die Kugel auf ihrer zweiten Seite den flüssigen oder pastösen Werkstoff aus dem Reservoirbereich aufnehmen kann, mithin die Kugel auf ihrer zweiten Seite mit dem flüssigen oder pastösen Werkstoff aus dem Reservoirbereich versehbar ist oder versehen wird. Dadurch, dass die zunächst dem Reservoirbereich zugewandte, mit dem flüssigen oder pastösen Werkstoff versehene, erste Seite in zumindest teilweisen und vorzugsweise direkten Kontakt mit dem Substrat gebracht wird, wird der an der ersten Seite angeordnete, insbesondere anhaftende, flüssige oder pastöse Werkstoff auf das Substrat aufgebracht. Durch weiteres, relativ zu dem Substrat erfolgendes und beispielsweise entlang der wenigstens einen Bewegungsbahn erfolgendes Bewegen des Gehäuses rollt die Kugel, insbesondere direkt, derart auf dem Substrat ab und die Kugel wird derart relativ zu dem Gehäuse gedreht, dass die dann mit dem flüssigen oder pastösen Werkstoff aus dem Reservoirbereich versehene, zweite Seite wieder durch die Austrittsöffnung hindurchbewegt und somit an die Umgebung bewegt und insbesondere in zumindest teilweisen, direkten Kontakt mit dem Substrat bewegt wird, wodurch der flüssige oder pastöse, an der zweiten Seite angeordnete, insbesondere haftende, Werkstoff auf das Substrat aufgebracht wird, wobei die erste Seite wieder durch die Austrittsöffnung hindurchbewegt und in das Gehäuse hineinbewegt wird, derart, dass dann wieder die erste Seite dem Reservoirbereich zugewandt wird und mit dem flüssigen oder pastösen Werkstoff aus dem Reservoirbereich versehbar ist oder versehen wird. Unter dem Merkmal, dass die jeweilige, dem Reservoirbereich zugewandte und somit in dem Gehäuse angeordnete Seite der Kugel mit dem flüssigen oder pastösen Werkstoff aus dem Reservoirbereich versehbar ist oder versehen wird, ist zu verstehen, dass der flüssige oder pastöse Werkstoff aus dem Reservoirbereich an der dem Reservoirbereich zugewandten Seite der Kugel anordenbar oder angeordnet wird, insbesondere anhaftet. Insgesamt ist erkennbar, dass mittels des erfindungsgemäßen Druckkopfes der flüssige oder pastöse Werkstoff aus dem Reservoirbereich auf das Substrat auf die Art und Weise aufgebracht werden kann oder aufgebracht wird, auf die mittels einer Schreibkugel eines Kugelschreibers eine beispielsweise als Tintenpaste ausgebildete Schreibpaste aus einem Tank des Kugelschreibers auf ein Blatt Papier aufgebracht werden kann oder aufgebracht wird, indem eine Person den Kugelschreiber derart relativ zu dem Blatt Papier bewegt, dass die Schreibkugel des Kugelschreibers, insbesondere direkt, auf dem Blatt Papier abrollt. Vorzugsweise wird der Druckkopf beziehungsweise das Gehäuse relativ zu dem Substrat mittels eines insbesondere elektrisch und/oder pneumatisch und/oder hydraulisch betreibbaren Aktors, insbesondere automatisch, bewegt. Mittels des erfindungsgemäßen Druckkopfes kann das Bauelement besonders präzise hergestellt werden, da ein unkontrolliertes und somit unerwünschtes Strömen des flüssigen oder pastösen Werkstoffs aus dem Reservoirbereich durch die Austrittsöffnung hindurch und somit ein unkontrolliertes und somit unerwünschtes Aufbringen des Werkstoffs auf das Substrat vermieden werden kann. Insbesondere ermöglicht es der erfindungsgemäße Druckkopf, das Bauelement auch mit einer komplexen und insbesondere dreidimensionalen Struktur herzustellen, und nicht besonders präzise.
  • Insbesondere dann, wenn das Bauelement als eine Leiterbahn herstellt wird, ist es wünschenswert, das Bauelement als eine präzise und dünne Bahn auf das Substrat aufzubringen und somit herzustellen. Versuche haben gezeigt, dass es bei Verwendung von herkömmlichen Druckköpfen dazu kommen kann, dass der flüssige oder pastöse Werkstoff unkontrolliert aus dem jeweiligen, herkömmlichen Druckkopf, insbesondere aus einer jeweiligen Düse des jeweiligen, herkömmlichen Druckkopfes, ausströmen und somit unkontrolliert auf das Substrat tropfen und sich somit unkontrolliert auf der Trägerstruktur ausbreiten kann. Dies kann nun mittels des erfindungsgemäßen Druckkopfes vermieden werden.
  • Insbesondere ermöglicht es der erfindungsgemäße Druckkopf, dass mittels der Kugel der flüssige oder pastöse Werkstoff aus dem Reservoirbereich gleichmäßig, dünn und präzise auf das auch als Träger oder Trägerstruktur bezeichnete Substrat aufgebracht werden kann, insbesondere durch relativ zu dem Gehäuse erfolgendes Drehen der Kugel, deren Drehen dadurch bewirkbar ist oder bewirkt wird, dass die Kugel in direktem Kontakt mit dem Substrat gehalten und währenddessen das Gehäuse entlang der einen Bewegungsrichtung relativ zu dem Substrat, insbesondere translatorisch, bewegt wird, wodurch die Kugel, insbesondere direkt, auf dem Substrat abrollt und relativ zu dem Gehäuse gedreht wird. Hierdurch werden abwechselnd die erste Seite und die zweite Seite der Kugel durch die Durchtrittsöffnung hindurchbewegt und somit in das Gehäuse hineinbewegt und aus dem Gehäuse herausbewegt und mit dem pastösen oder flüssigem Werkstoff aus dem Reservoirbereich versehen und auf dem Substrat, insbesondere direkt, abgerollt, insbesondere entlang einer Bewegungsbahn, wodurch der Werkstoff und somit das Bauelement insbesondere entlang der Bewegungsbahn auf das Substrat aufgebracht und somit aufgedruckt wird.
  • Insbesondere kann der Druckkopf beziehungsweise das Gehäuse relativ zu dem Substrat entlang der Bewegungsbahn bewegt werden, welche zumindest teilweise gerade und schräg und/oder kurvenförmig verlaufen kann, insbesondere dadurch, dass der Druckkopf beziehungsweise das Gehäuse relativ zu dem Substrat in die erste Richtung und/oder in die zweite Richtung und/oder in der Bewegungsebene bewegt wird. Beispielsweise ist die Kugel derart an dem Gehäuse gehalten, dass zwischen der Kugel und dem Gehäuse, insbesondere zwischen der Kugel und einem die Austrittsöffnung direkt begrenzenden Wandungsbereich des Gehäuses, ein Spalt angeordnet oder gebildet ist. Wird die Kugel auf die oben beschriebene Weise auf dem Substrat abgerollt, um dadurch den Werkstoff auf das Substrat aufzubringen, insbesondere aufzudrucken, so wird der an der jeweiligen Seite der Kugel anhaftende, flüssige oder pastöse Werkstoff durch den Spalt mittels der Kugel hindurchgefördert. Insbesondere ist die Austrittsöffnung in ihrer Umfangsrichtung vollständig umlaufend und direkt durch den Wandungsbereich begrenzt, sodass dadurch, dass die Kugel die Austrittsöffnung durchsetzt, sich der Wandungsbereich in Umfangsrichtung der Austrittsöffnung vollständig um die Kugel herumerstreckt. Vorzugweise ist der Spalt zwischen der Kugel und dem Gehäuse so bemessen, dass durch das beschriebene, relativ zu dem Gehäuse erfolgende Drehen der Kugel der flüssige oder pastöse Werkstoff auf dem Aufnahmebereich gleichmäßig ausgebracht und auf das Substrat aufgebracht wird.
  • Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Austrittsöffnung an einem freien Ende des Gehäuses angeordnet ist, welches einen sich zu der Austrittsöffnung hin, insbesondere kontinuierlich, verjüngenden Längenbereich aufweist. Dadurch kann das Bauelement besonders präzise hergestellt werden, da beispielsweise unerwünschte Kontakte zwischen dem Gehäuse und dem auf das Substrat aufgebrachten und gegebenenfalls noch nicht ausgehärteten Werkstoff vermieden werden können.
  • Insbesondere ist es denkbar, dass die Austrittsöffnung durch ein auch als Röhrchen bezeichnetes oder als Röhrchen ausgebildetes Rohrelement des Gehäuses begrenzt ist, sodass das Rohrelement den genannten Längenbereich aufweist.
  • Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Verjüngung genau an dem freien Ende endet. Dadurch können unerwünschte Kontakte zwischen dem Gehäuse und dem Substrat sowie unerwünschte Kontakte zwischen dem Gehäuse und dem auf das Substrat aufgebrachten Werkstoff vermieden werden, wodurch das Bauelement besonders präzise hergestellt werden kann.
  • Beispielsweise ist die Kugel beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Stahl, gebildet.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker zum 3D-Drucken von Bauelementen. Der Druckkopf gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist einen auch als Aufnahmebereich oder Reservoir bezeichneten Reservoirbereich auf, in welchem ein Werkstoff, aus welchem das jeweilige Bauelement herzustellen ist oder hergestellt wird, in flüssigem oder pastösem Zustand des Werkstoffs zumindest vorübergehend aufnehmbar ist. Beispielsweise weist der Druckkopf gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ein Gehäuse auf, welches den Reservoirbereich aufweist. Somit ist beispielsweise der Reservoirbereich gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung durch das Gehäuse gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, insbesondere direkt, begrenzt, sodass der Reservoirbereich innerhalb des Gehäuses gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung angeordnet ist. Insbesondere im Hinblick auf den Reservoirbereich, das Gehäuse, den 3D-Drucker, das 3D-Drucken, das jeweilige Bauelement, den Werkstoff sowie den Zustand des Werkstoffs können die vorigen und folgenden Ausführungen zum ersten Aspekt der Erfindung ohne Weiteres auch auf den zweiten Aspekt der Erfindung übertagen werden und umgekehrt.
  • Um das Bauelement besonders präzise herstellen zu können, weist der Druckkopf gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ein Rohrelement auf, welches insbesondere als filigranes Rohr, das heißt als dünnwandiges Rohr und somit als Röhrchen ausgebildet sein kann. Das Rohrelement gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist einen von dem flüssigen oder pastösen Werkstoff aus dem Reservoirbereich durchströmbaren, auch als Ausflusskanal bezeichneten Kanal mit einer an einem freien Ende des Rohrelements gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung angeordneten Austrittsöffnung auf. Zum 3D-Drucken des jeweiligen Bauelements ist der insbesondere aus dem Reservoir stammende Werkstoff in dem flüssigen oder pastösen Zustand des Werkstoffs aus dem Kanal und dadurch aus dem Rohrelement an dessen Umgebung abführbar und dadurch von dem Druckkopf bereitstellbar und auf ein Substrat aufbringbar, insbesondere aufdruckbar.
  • Des Weiteren weist der Druckkopf gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ein in dem Kanal und dadurch in dem Rohrelement angeordnetes Stiftelement auf, welches auch als Stift, Dosierstift, Regulierstift, Nadel, Dosiernadel oder Reguliernadel bezeichnet wird. Vorzugsweise ist das Stiftelement aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Stahl, gebildet, sodass das Stiftelement beispielsweise als eine Stahlnadel ausgebildet ist oder als Stahlnadel bezeichnet wird. Der Kanal mündet an dem freien Ende über die Austrittsöffnung an die Umgebung des Rohrelements, sodass vorzugsweise der Kanal an dem freien Ende über seine Austrittsöffnung endet. Das Stiftelement ist, insbesondere in Längserstreckungsrichtung des Stiftelements, relativ zu dem Rohrelement zwischen einer Ruhestellung und wenigstens einer Druckstellung translatorisch bewegbar. In der Ruhestellung durchdringt das Stiftelement die Austrittsöffnung, wodurch in der Ruhestellung das Stiftelement über die Austrittsöffnung aus dem Rohrelement herausragt und insbesondere an die Umgebung ragt. Hierdurch ist in der Ruhestellung ein auch als erster Längenbereich bezeichneter Längenbereich des Stiftelements außerhalb des Rohrelements und in der Umgebung angeordnet. Insbesondere ist in der Ruhestellung ein zweiter Längenbereich des Stiftelements in dem Rohrelement angeordnet, wobei sich der zweite Längenbereich, insbesondere in Längserstreckungsrichtung des Stiftelements und/oder direkt, an den ersten Längenbereich anschließt. Somit ist der erste Längenbereich in der Ruhestellung außerhalb des Kanals und in der Umgebung angeordnet. Wenn im Folgenden die Rede von dem Längenbereich ist, so ist darunter, falls nichts anderes angegeben ist, der erste Längenbereich zu verstehen. In der Druckstellung ist der erste Längenbereich in dem Kanal und somit in dem Rohrelement angeordnet. Insbesondere weist das Rohrelement an seinem freien Ende eine Stirnfläche auf, welche sich beispielsweise in einer Ebene erstreckt, welche senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des Stiftelements verläuft. Das freie Ende, insbesondere die Stirnfläche, des Rohrelements ist unter Bewegen des sich zunächst in der Ruhestellung befindenden Stiftelements aus der Ruhestellung in die Druckstellung in, insbesondere direkte, Stützanlage und somit in, insbesondere direkten, Kontakt mit dem Substrat bewegbar und entlang des Substrats, das heißt relativ zu dem Substrat, insbesondere translatorisch, bewegbar, insbesondere während sich das Rohrelement, insbesondere die Stirnfläche des Rohrelements, in, insbesondere direkter, Stützanlage, das heißt in, insbesondere direktem, Kontakt mit dem Substrat befindet. Hierdurch ist zum 3D-Drucken des jeweiligen Bauelements der flüssige oder pastöse Werkstoff aus dem Reservoirbereich über den Kanal und die Austrittsöffnung aus dem Rohrelement abführbar oder ausleitbar und auf das Substrat aufbringbar. Mit anderen Worten, um den Werkstoff aus dem Reservoirbereich in dem flüssigen oder pastösen Zustand des Werkstoffs auf das Substrat aufzubringen und hierdurch das Bauelement auf das Substrat aufzubringen, insbesondere aufzudrucken, sodass das Bauelement durch das 3D-Drucken auf dem Substrat hergestellt werden kann, wird der Druckkopf gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung insbesondere ausgehend von einem Zustand, in welchem sich das Stiftelement in der Ruhestellung befindet, insbesondere zunächst derart relativ zu dem Substrat bewegt, dass das sich zunächst in der Ruhestellung befindende Stiftelement, insbesondere ein freies Ende des Stiftelements und ganz insbesondere eine an dem freien Ende des Stiftelements angeordnete Stirnfläche oder Spitze des Stiftelements, welche an dem freien Ende des Stiftelements endet, in, insbesondere direkte, Stützanlage, das heißt in, insbesondere direkten, Kontakt mit dem Substrat kommt. Das freie Ende des Rohrelements wird auch als erstes freies Ende bezeichnet, und das freie Ende des Stiftelements wird auch als zweites freies Ende bezeichnet, und wenn im Folgenden die Rede von dem freien Ende ist, so ist darunter, falls nichts anderes angegeben ist, das erste freie Ende des Rohrelements zu verstehen. Wird das Rohrelement beispielsweise weiter in Richtung des Substrats bewegt, nachdem das sich zunächst in der Ruhestellung befindende Stiftelement, insbesondere das zweite freie Ende, in direkte Stützanlage beziehungsweise in direkten Kontakt mit dem Substrat bewegt wurde, so wird das Stiftelement aus der Ruhestellung in die Druckstellung bewegt, insbesondere während des Stiftelement sich in direkter Stützanlage mit dem Substrat befindet. Mit anderen Wort wird das Stiftelement in das Rohrelement hineinbewegt, insbesondere hineingedrückt. Insbesondere wird das Rohrelement so weit oder so lange in Richtung des Substrats bewegt, nachdem das Stiftelement in direkte Stützanlage mit dem Substrat bewegt wurde, bis, insbesondere auch, das Rohrelement, insbesondere das erste freie Ende des Rohrelements, in direkte Stützanlage, das heißt in direkten Kontakt mit dem Substrat kommt. Befinden sich sowohl das Stiftelement, insbesondere das zweite freie Ende des Stiftelements, als auch das Rohrelement, insbesondere das erste freie Ende des Rohrelements, in, insbesondere direkter, Stützanlage mit dem Substrat, sodass sich das Stiftelement in seiner Druckstellung befindet, so sind beispielsweise das Stiftelement und das Rohrelement, insbesondere die freien Enden, bündig zueinander angeordnet. Somit ist es insbesondere denkbar, dass in der Druckstellung die freien Enden bündig zueinander angeordnet sind. In der Druckstellung kann der flüssige oder pastöse Werkstoff aus dem Reservoirbereich den Kanal und die Austrittsöffnung durchströmen und somit an die Umgebung strömen und auf das Substrat gelangen, insbesondere derart, dass der flüssige oder pastöse Werkstoff auf seinem Weg aus dem Reservoirbereich zu der Austrittsöffnung und durch die Austrittsöffnung hindurch und auf das Substrat zwischen dem Rohrelement und dem sich insbesondere in der Druckstellung befindenden Stiftelement hindurchströmt. Beispielsweise ist zumindest in der Druckstellung zwischen dem Rohrelement, insbesondere zwischen einer dem Stiftelement zugewandten, innenumfangsseitigen Mantelfläche des Rohrelements, und dem Stiftelement, insbesondere einer dem Rohrelement, insbesondere der innenumfangsseitigen Mantelfläche, zugewandten, außenumfangsseitigen Mantelfläche des Stiftelements, ein Spalt angeordnet, welcher beispielsweise einerseits direkt durch das Rohrelement, insbesondere die innenumfangsseitige Mantelfläche, und andererseits, insbesondere direkt, durch die außenumfangsseitige Mantelfläche beziehungsweise das Stiftelement begrenzt ist. Somit kann beispielsweise in der Ruhestellung der flüssige oder pastöse Werkstoff aus dem Reservoirbereich durch den Spalt hindurchströmen und somit den Kanal und die Austrittsöffnung durchströmen.
  • Wird der Druckkopf gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung relativ zu dem Substrat bewegt, insbesondere entlang einer Bewegungsbahn, während sich das Stiftelement in der Druckstellung befindet, insbesondere während sowohl das Rohrelement als auch das Stiftelement, ganz insbesondere beide freie Enden, sich in direkter Stützanlage mit dem Substrat befinden, so wird der flüssige oder pastöse Werkstoff aus dem Reservoirbereich, da er den Kanal und die Austrittsöffnung durchströmen kann, von dem Druckkopf bereitgestellt und auf das Substrat aufgebracht, insbesondere aufgedruckt, insbesondere entlang der Bewegungsbahn. Hierdurch kann das jeweilige Bauelement auf das Substrat aufgedruckt und somit durch 3D-Drucken hergestellt werden. Insbesondere ist es vorgesehen, dass in der Ruhestellung der Kanal, insbesondere an der Austrittsöffnung und/oder an einer von der Austrittsöffnung unterschiedlichen Stelle, insbesondere mittels des Stiftelements, fluidisch versperrt ist, sodass vorzugsweise in der Ruhestellung eine Strömung des flüssigen oder pastösen Werkstoffs aus dem Reservoir durch die Austrittsöffnung, mithin aus dem Druckkopf heraus vermieden ist.
  • Insbesondere ist es denkbar, dass das Stiftelement aus einem metallischen Werkstoff und dabei insbesondere als ein, insbesondere dünner, Draht ausgebildet ist. Ferner ist es denkbar, dass das Stiftelement mit einem Kolben verbunden ist, sodass der Kolben mit dem Stiftelement zwischen der Druckstellung und der Ruhestellung relativ zu dem Rohrelement mitbewegbar ist. Insbesondere fungiert der Kolben als eine Masse und/oder als eine auch als Führungskolben bezeichnete Führung zum Führen des Stiftelements relativ zu dem Rohrelement. Beispielsweise ist es denkbar, dass mittels des Kolbens eine Menge des die Austrittsöffnung durchströmenden, flüssigen oder pastösen Werkstoff aus dem Reservoirbereich einstellbar, das heißt regulierbar ist.
  • Die Ruhestellung wird auch als erste Stellung bezeichnet, und die Druckstellung wird auch als zweite Stellung bezeichnet. Beispielsweise gibt der Kolben in einer der Stellungen eine fluidische Verbindung zwischen dem Reservoirbereich und dem Kanal frei, sodass in der einen Stellung der flüssige oder pastöse Werkstoff aus dem Reservoirbereich in den Kanal einströmen und in der Folge den Kanal durchströmen kann, sodass beispielsweise daraufhin in der Druckstellung der flüssige oder pastöse Werkstoff die Austrittsöffnung durchströmen kann. Beispielsweise versperrt der Kolben in der anderen Stellung die Verbindung zwischen dem Reservoirbereich und dem Kanal, sodass in der anderen Stellung der flüssige oder pastöse Werkstoff aus dem Reservoirbereich nicht in den Kanal einströmen kann. Die eine Stellung kann die Ruhestellung sein, und die andere Stellung kann die Druckstellung sein. Somit ist es beispielsweise denkbar, dass in der einen Stellung der Kanal mit dem flüssigen oder pastösen Werkstoff aus dem Reservoirbereich zumindest teilweise gefüllt werden kann, während jedoch vermieden ist, dass der flüssige oder pastöse Werkstoff aus dem Reservoirbereich die Austrittsöffnung durchströmt. In der anderen Stellung kann der flüssige oder pastöse Werkstoff aus dem Kanal die Austrittsöffnung durchströmen, insbesondere während vermieden ist, dass der flüssige oder pastöse Werkstoff aus dem Reservoirbereich in den Kanal strömt. Ferner ist es denkbar, dass die eine Stellung die Druckstellung und die andere Stellung die Ruhestellung ist. Zum einen ermöglicht der Druckkopf gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung einen zumindest der mit diesem kontinuierlichen Fluss oder einen zumindest der mit dieser kontinuierlichen Strömung des flüssigen oder pastösen Werkstoffs durch die Austrittsöffnung hindurch, sodass der Werkstoff und somit das Bauelement besonders präzise auf das Substrat aufgebracht und somit aufgedruckt werden können. Zum anderen kann auch bei dem zweiten Aspekt der Erfindung vermieden werden, dass es zu einem unkontrollierten und somit unerwünschten Strömen des flüssigen oder pastösen Werkstoffs durch die Austrittsöffnung hindurch und somit auf das Substrat kommt, sodass auch bei dem zweiten Aspekt der Erfindung ein unkontrolliertes und unerwünschtes Tropfen oder Kleckern des Werkstoffs auf das Substrat vermieden werden kann.
  • Es ist erkennbar, dass der Druckkopf gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung insbesondere im Hinblick auf das Rohrelement, das Stiftelement und dessen Bewegbarkeit zwischen der Druckstellung und der Ruhestellung nach Art eines auch als Tintenkuli, Tuschefüller oder Tuschestift bezeichneten Tuschezeichners ausgebildet ist, wie er beispielsweise in der DE 1 905 752 A1 , der DE 2 101 296 A1 , 2, der DE 1 901 668 U , der DE 1 944 701 U , der US 199 621 A , der DE 553 776 C , der DE 1 993 401 U und der US 174 965 A offenbart und beschrieben ist.
  • Außerdem können die vorigen und folgenden Ausführungen zu dem 3D-Drucker und dem Druckkopf gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ohne weiteres auch auf dem Druckkopf gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung übertragen werden und umgekehrt. Somit kann beispielsweise bei dem 3D-Drucker anstelle des Druckkopfes gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung der Druckkopf gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung als erster Druckkopf verwendet werden, wobei der zuvor beschriebene, zweite Druckkopf zusätzlich zu dem ersten Druckkopf vorgesehen sein kann.
  • Offenbart ist somit auch ein einfach auch als Drucker bezeichneter 3D-Drucker, welcher einen Druckkopf gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, insbesondere als ersten Druckkopf, aufweist. Ferner weist vorzugsweise der 3D-Drucker den zuvor beschriebenen, zweiten Druckkopf auf.
  • Um den flüssigen oder pastösen Werkstoff aus dem Reservoirbereich und somit das Bauelement besonders präzise auf das Substrat aufbringen und somit aufdrucken zu können, ist es bei einer Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung vorgesehen, dass der Kanal zumindest in einem Teilbereich des Kanals zumindest in der Druckstellung und/oder in der Ruhestellung als eine Kapillare ausgebildet ist, durch welche der flüssige oder pastöse Werkstoff aus dem Reservoir mittels des Kapillareffekts, mithin durch Kapillarität oder Kapillarwirkung, hindurchförderbar und zu der Austrittsöffnung hinförderbar ist.
  • Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Rohrelement einen sich zu der Austrittsöffnung hin, insbesondere zumindest im Wesentlichen kontinuierlich, verjüngenden Längenbereich aufweist. Hierdurch können unerwünschte Kontakte zwischen dem Rohrelement und dem Substrat sowie zwischen dem Rohrelement und dem auf das Substrat aufgebrachten Werkstoff vermieden werden, sodass das Bauelement besonders präzise hergestellt werden kann.
  • Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn bei dem zweiten Aspekt der Erfindung die Verjüngung genau an dem freien Ende endet, wodurch unerwünschte Kontakte zwischen dem Rohrelement und dem Substrat sowie dem Rohrelement und dem auf das Substrat aufgebrachten Werkstoff vermieden werden können.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen wenigstens eines Bauelements. Bei dem Verfahren wird das wenigstens eine Bauelement durch 3D-Drucken hergestellt. Bei dem Verfahren wird zum 3D-Drucken des wenigstens eines Bauelements wenigstens ein Druckkopf gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung verwendet. Mithin wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Bauelement mittels eines Druckkopfes gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder mittels eines Druckkopfes gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung gedruckt und somit hergestellt. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts und des zweiten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung ansehen und umgekehrt.
  • Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn als das Bauelement eine insbesondere elektrisch leitfähige Leiterbahn hergestellt wird, welche mittels des Druckkopfes auf das Substrat aufgebracht und dadurch auf das Substrat aufgedruckt wird. Der Druckkopf eignet sich dabei besonders vorteilhaft, um filigrane Bauelemente wie Leiterbahnen herzustellen.
  • Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn als der Werkstoff ein metallischer und/oder ein elektrisch leitfähiger Werkstoff, mithin ein Leiter verwendet wird. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere im Hinblick auf metallische und/oder elektrisch leitfähige Werkstoffe eine besonders präzise Herstellung wünschenswert ist, um auch komplexe und/oder gewünschte Geometrien präzise herstellen zu können, ohne dass es beispielsweise zu einem unerwünschten Tropfen oder Klecksen des Werkstoffs auf das Substrat kommt. Dies kann durch das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden.
  • Beispielsweise wird das Verfahren in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter oder in Abhängigkeit von mehreren Parametern durchgeführt. Ein erster der Parameter kann ein Druck oder eine Druckkraft sein, mit dem beziehungsweise der die Kugel des Druckkopfes gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung oder das Rohrelement des Druckkopfes gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung gegen das Substrat gedrückt und insbesondere in Stützanlage mit dem Substrat gehalten wird, insbesondere während der jeweilige Druckkopf insbesondere entlang der Bewegungsbahn relativ zu dem Substrat bewegt wird. Ein zweiter der Parameter kann eine auch als Vorschub oder Vorschubgeschwindigkeit bezeichnete Geschwindigkeit sein, mit welcher der jeweilige Druckkopf insbesondere entlang der Bewegungsbahn relativ zu dem Substrat bewegt wird, insbesondere während sich die Kugel beziehungsweise das Rohrelement und dabei vorzugsweise auch das Stiftelement in, insbesondere direkter, Stützanlage, das heißt in, insbesondere direktem, Kontakt mit dem Substrat befindet. Ein dritter der Parameter kann eine auch als Spaltbreite bezeichnete Breite des Spalts zwischen der Kugel und dem Gehäuse beziehungsweise zwischen dem sich insbesondere in der Druckstellung befindenden Stiftelement und dem Rohrelement sein.
  • Ein vierter der Parameter kann eine Temperatur des flüssigen oder pastösen Werkstoffs sein, welcher die Temperatur beispielsweise in dem Reservoirbereich aufweist und/oder mit der Temperatur die Austrittsöffnung durchströmt und somit auf das Substrat aufgebracht wird. Hierdurch kann das Bauelement besonders präzise hergestellt werden. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele mit den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigt:
    • 1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines 3D-Druckers zum Herstellen wenigstens eines Bauelements durch 3D-Drucken; und
    • 2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht des 3D-Druckers gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Schnittansicht einen einfach auch als Drucker bezeichneten 3D-Drucker 1, zum 3D-Drucken von Bauelementen. Der 3D-Drucker 1 weist wenigstens einen Druckkopf 2 auf, welcher auch als erster Druckkopf bezeichnet wird. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, wird mittels des Druckkopfes 2 das jeweilige Bauelement hergestellt, indem mittels des Druckkopfes 2 das zuvor genannte 3D-Drucken durchgeführt wird. Mit anderen Worten wird bei einem Verfahren zum Herstellen des jeweiligen Bauelements das jeweilige Bauelement durch das 3D-Drucken hergestellt, wobei zum 3D-Drucken der Druckkopf 2 verwendet wird. Der Druckkopf 2 weist ein Gehäuse 3 auf, welches einen auch als Aufnahmebereich bezeichneten Reservoirbereich 4 aufweist. Dies bedeutet insbesondere, dass das Gehäuse 3, in dessen Inneren der Reservoirbereich 4 angeordnet ist, den Reservoirbereich 4, insbesondere direkt, begrenzt. In dem Reservoirbereich 4 ist ein in 1 besonders schematisch dargestellter Werkstoff 5 in flüssigem oder pastösem Zustand des Werkstoffs 5 zumindest vorübergehend aufnehmbar. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel und insbesondere bei dem zuvor genannten Verfahren ist der Werkstoff 5 in dem flüssigen oder pastösen Zustand des Werkstoffs 5 zumindest vorübergehend in dem Reservoirbereich 4 aufgenommen. Aus dem Werkstoff 5 wird das jeweilige Bauelement durch das 3D-Drucken hergestellt. Wenn im Folgenden die Rede von dem Zustand des Werkstoffs 5 ist, so ist darunter, falls nichts anderes angegeben ist, der flüssige oder pastöse Zustand des Werkstoffs 5 zu verstehen.
  • Das Gehäuse 3 weist, insbesondere wenigstens oder genau, eine als Durchgangsöffnung ausgebildete Austrittsöffnung 6 aus, über welche vom 3D-Drucken des jeweiligen Bauelements der Werkstoff 5 insbesondere in dem flüssigen oder pastösen Zustand aus dem Reservoirbereich 4 und aus dem Gehäuse 3 an dessen Umgebung 7 abführbar und dadurch von dem Druckkopf 2 bereitstellbar und auf ein Substrat 8 aufbringbar ist. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Bauelement, welches mittels des Druckkopfes 2 aus dem Werkstoff 5 hergestellt wird, mit 9 bezeichnet. Dabei zeigt 1 eine erste Ausführungsform des Druckkopfes 2. Bei der ersten Ausführungsform ist das Substrat 8 eine Leiterplatte, welche beispielsweise aus einem elektrisch nicht leitfähigen Werkstoff, insbesondere Kunststoff, und somit aus einem Nichtleiter gebildet sein kann. Beispielsweise weist der 3D-Drucker 1 einen in 1 nicht dargestellten, zweiten Druckkopf auf, mittels welchem das Substrat 8 durch 3D-Drucken hergestellt wird. Mit anderen Worten wird beispielsweise mittels des zweiten Druckkopfes ein 3D-Drucken, das heißt ein 3D-Druckverfahren durchgeführt, mittels welchem das Substrat 8 hergestellt wird. Mittels des Druckkopfes 2 werden der Werkstoff 5 und somit das Bauelement 9 auf das Substrat 8 aufgebracht und somit auf das Substrat 8 aufgedruckt und dadurch hergestellt. Insbesondere wird beispielsweise mittels des Druckkopfes 2 der Werkstoff 5 in dem flüssigen oder pastösen Zustand aus dem Reservoirbereich 4 auf das Substrat 8 aufgebracht und somit aufgedruckt. Daraufhin kann beispielsweise der zunächst flüssige oder pastöse Werkstoff 5 auf dem Substrat 8 aushärten, sodass das Bauelement 9 in seinem vollständig hergestellten Zustand ein Festkörper ist, mithin im festen Aggregatszustand vorliegt. Beispielsweise ist das Bauelement 9 eine Leiterbahn zum Leiten oder Übertragen von elektrischem Strom. Beispielsweise ist somit das Bauelement 9 elektrisch leitfähig, sodass vorzugsweise der Werkstoff 5 ein elektrisch leitfähiger Werkstoff, mithin ein Leiter ist. Insbesondere kann es sich bei dem Werkstoff 5 um einen metallischen Werkstoff handeln. Beispielsweise ist oder umfasst der metallische Werkstoff, insbesondere zumindest, Zinn, insbesondere Lötzinn.
  • Um nun das Bauelement 9 besonders präzise auf das Substrat 8 aufdrucken und somit auf dem Substrat 8 herstellen zu können, weist der Druckkopf 2 der in 1 gezeigten, ersten Ausführungsform eine drehbar an dem Gehäuse 3 gehaltene und die Austrittsöffnung 6 durchdringende Kugel 10 auf, welche auf ihrer dem Reservoirbereich 4 zugewandten Seite S1 mit dem flüssigen oder pastösen Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 versehbar und auf dem Substrat 9 abrollbar und dadurch relativ zu dem Gehäuse 3 drehbar ist, wodurch dem 3D-Drucken des Bauelements 9 mittels der Kugel 10 der flüssige oder pastöse Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 durch die Austrittsöffnung 6 hindurchförderbar und auf das Substrat 8 aufbringbar ist. Mit anderen Worten, um bei dem Verfahren das Bauelement 9 auf das Substrat 8 aufzudrucken, wird die Kugel 10 in, insbesondere direkte, Stützanlage mit dem Substrat 8 bewegt und insbesondere gehalten. Dies wird beispielsweise mittels einer in 1 nicht dargestellten Bewegungseinrichtung des 3D-Druckers 1 durchgeführt. Zunächst befindet sich die Kugel 10 beispielsweise in einer in 1 gezeigten, ersten Drehstellung, in welcher die Seite S1 der Kugel 10 dem Reservoirbereich 5 zugewandt ist und eine insbesondere in radialer Richtung der Kugel 10 von der Seite S1 abgewandte, zweite Seite S2 der Kugel 10 dem Substrat 8 zugewandt ist. Wird dann beispielsweise das Gehäuse 3 mittels der Bewegungseinrichtung relativ zu dem Substrat 8, insbesondere translatorisch, bewegt, insbesondere entlang einer beispielsweise vorgebbaren oder vorgegebenen Bewegungsbahn, während sich die Kugel 10, insbesondere direkter, Stützanlage, das heißt in, insbesondere direktem, Kontakt mit dem Substrat 8 befindet, so rollt hierdurch die Kugel 10, insbesondere direkt, an dem Substrat 8, und die Kugel 10 dreht sich relativ zu dem Gehäuse 3, beispielsweise derart, dass die Kugel 10 in eine von der ersten Drehstellung unterschiedliche, zweite Drehstellung kommt oder gedreht wird. In der zweiten Drehstellung ist beispielsweise die Seite S2 dem Reservoirbereich 4 zugewandt, und die Seite S1 ist dem Substrat 8 zugewandt. Insbesondere befindet sich zumindest ein Teil der Seite S2 in der ersten Drehstellung in, insbesondere direktem, Kontakt mit dem Substrat 8. Ferner ist es denkbar, dass sich in der zweiten Drehstellung zumindest ein Teil der Seite S1 in, insbesondere direktem Kontakt mit dem Substrat 8 befindet. Da in der ersten Drehstellung die Seite S1 dem Reservoirbereich 4 zugeordnet ist, insbesondere derart, dass der flüssige oder pastöse Werkstoff 5 in, insbesondere direkten, Kontakt mit der Seite S1 gelangen kann, nimmt die Kugel 10 auf ihrer Seite S1 den flüssigen oder pastösen Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 auf. Mit anderen Worten bleibt der flüssige oder pastöse Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 an der Seite S1 haften. Wird dann die Kugel 10, wie beschrieben, aus der ersten Drehstellung in die zweite Druckstellung gedreht, so wird die zunächst in dem Gehäuse 3 angeordnete und mit dem flüssigen oder pastösen Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 versehen Seite S1 durch die Austrittsöffnung 6 hindurchbewegt und somit an die Umgebung 7 bewegt, und die zumindest außerhalb des Gehäuses 3 an oder in der Umgebung 7 angeordnete Seite S2 wird durch die Austrittsöffnung 6 hindurch bewegt, derart, dass die Seite S2 in der zweiten Druckstellung dem Reservoirbereich 4 zugewandt ist. Insbesondere kommt durch Drehen der Kugel 10 aus der ersten Druckstellung in die zweite Druckstellung die mit dem flüssigen oder pastösen Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 versehene Seite S1 zumindest teilweise in den Kontakt mit dem Substrat 8. Außerdem wird durch Drehen der Kugel 10 aus der ersten Druckstellung in die zweite Druckstellung zumindest ein Teil des auf der Seite S1 an der Kugel 10 beziehungsweise an der Seite S1 haftenden, flüssigen oder pastösen Werkstoffs 5 auf das Substrat 8 aufgebracht, insbesondere aufgetragen und somit aufgedruckt. Außerdem wird die in der zweiten Druckstellung dem Reservoirbereich 4 zugewandte zweite Seite S2 mit dem flüssigen oder pastösen Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 versehen. Daraufhin wird beispielsweise die Seite S1 wieder in das Gehäuse 3 hinein bewegt und die Seite S2, die dann mit dem flüssigen oder pastösen Werkstoff 5 versehen ist, wird aus dem Gehäuse 3 herausbewegt, wodurch zumindest ein Teil des an der zweiten Seite S2 haftenden, flüssigen oder pastösen Werkstoffs 5 auf das Substrat 8 aufgebracht und somit aufgedruckt wird. Insgesamt ist erkennbar, dass durch das Abrollen der Kugel 10 an dem Substrat 8 der flüssige oder pastöse Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 auf das Substrat 8 aufgebracht und somit aufgedruckt wird, insbesondere entlang der Bewegungsbahn, entlang welcher das Gehäuse 3, insbesondere mittels der Bewegungseinrichtung, relativ zu dem Substrat 8 bewegt wird, insbesondere während sich die Kugel 10, insbesondere in direkter, Stützanlage mit dem Substrat 8 befindet oder gehalten wird. Ferner ist erkennbar, dass mittels des Druckkopfes 2 der flüssige oder pastöse Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 so aufgebracht und aufgedruckt wird, wie mittels eines Kugelschreibers über dessen Schreibkugel eine Schreibpaste aus einem Tank des Kugelschreibers auf ein Blatt Papier aufgebracht wird, wenn eine Person den Kugel relativ zu dem Blatt Papier bewegt, während die Schreibkugel das Blatt Papier direkt kontaktiert, um so beispielsweise auf das Blatt Papier einen Buchstaben oder ein Wort zu schreiben oder ein Bild zu zeichnen. Insbesondere kann mittels des Druckkopfes 2 das Bauelement 9 besonders präzise aus dem Substrat 8 hergestellt werden, da ein unkontrolliertes und somit unerwünschtes Heraustropfen oder herauskleckern des flüssigen oder pastösen Werkstoffs 5 aus dem Reservoirbereich 4 auf das Substrat 8 vermieden werden kann. Somit kann das Bauelement 9 beispielsweise aus besonders dünnem beziehungsweise schmalen Bahnen aus dem Substrat 8 hergestellt werden, wobei durch Verwendung des 3D-Druckens auch eine besonders komplexe Geometrie beziehungsweise Form des Bauelements 9 auf zeit- und kostengünstige Weise realisiert werden kann. Hierzu ist es insbesondere denkbar, dass die Bewegungsbahn zumindest in einem Teilbereich bogenförmig verläuft. Somit verläuft beispielsweise das Bauelement 9 zumindest in einem Teilbereich des Bauelements 9 bogenförmig. Alternativ oder zusätzlich kann die Bewegungsbahn beziehungsweise das Bauelement 9 zumindest in einem, insbesondere weiteren, Teilbereich geradlinig verlaufen.
  • Um unerwünschte Kontakte zwischen dem Gehäuse 3 und dem Substrat 8 sowie zwischen dem Gehäuse 3 und dem auf das Substrat 8 aufgebrachten und gegebenenfalls noch flüssigen oder pastösen Werkstoff 5 zu vermeiden, ist die Austrittsöffnung 6 an einem freien Ende E des Gehäuses 3 angeordnet, welches ein sich zu der Austrittsöffnung 6 hin kontinuierlich verjüngenden Längenbereich L aufweist. Dabei ist erkennbar, dass der sich verjüngende Längenbereich L, welcher auch als Verjüngung bezeichnet wird, genau an dem freien Ende E endet. Vorzugsweise ist die Kugel 10 aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Stahl, gebildet.
  • Vorzugsweise ist die Kugel 10 derart an dem Gehäuse 3 gehalten, dass die Kugel 10 relativ zu dem Gehäuse 3 drehbar ist und gegen ein Herausfallen aus dem Gehäuse 3, das heißt gegen ein Abfallen von dem Gehäuse 3 gesichert ist, insbesondere dann, wenn die Gewichtskraft der Kugel 10 in vertikaler Richtung nach unten wirkt und die Kugel 10 in vertikaler Richtung nach unten hin nicht an einem von dem Gehäuse 3 unterschiedlichen Element abgestützt ist. Ferner ist vorzugsweise die Kugel 10 derart an dem Gehäuse 3 gehalten, dass sich zumindest dann, wenn die Kugel 10 an dem Substrat 8, insbesondere direkt, abgerollt wird, um den flüssigen oder pastösen Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 und somit das Bauelement 9 auf das Substrat 8 aufzudrucken, zwischen der Kugel 10 und dem Gehäuse 3 ein in 1 mit S bezeichneter Spalt bildet beziehungsweise der Spalt S gebildet oder angeordnet ist, wobei der Spalt S eine auch als Spaltbreite bezeichnete Breite aufweist. Die Spaltbreite ist beispielsweise ein erster Parameter des 3D-Druckens, wobei die Spaltbreite beispielsweise durch entsprechende, konstruktive Gestaltung beziehungsweise Auslegung des Druckkopfes 2 eingestellt oder gewählt werden kann. Beispielsweise wird die Kugel 10, das heißt der Druckkopf 2 über die Kugel 10, mit einem Druck und/oder einer Druckkraft gegen das Substrat 8 gedrückt, insbesondere mittels der Bewegungseinrichtung und/oder während die Kugel 10 an dem Substrat 8 abgerollt wird. Dabei ist beispielsweise der Druck und/oder die Druckkraft ein zweiter Parameter des 3D-Druckens, wobei beispielsweise der zweite Parameter insbesondere während des Verfahrens variiert werden kann. Ein dritter Parameter des 3D Druckens und somit des Verfahrens kann eine Temperatur sein, wobei beispielsweise der flüssige oder pastöse Werkstoff 5 in dem Reservoirbereich 4 die genannte Temperatur aufweist und/oder wobei der flüssige oder pastöse Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 mit der genannten Temperatur auf das Substrat 8 mittels der Kugel 10 aufgebracht wird. Beispielsweise wird das Gehäuse 3 mit einer insbesondere vorgebbaren oder vorgegebenen Geschwindigkeit, insbesondere mittels der Bewegungseinrichtung, relativ zu dem Substrat 8 bewegt insbesondere entlang der Bewegungsbahn, während sich die Kugel 10 insbesondere direkter Stützanlage mit dem Substrat 8 befindet, um dadurch den Werkstoff 5 auf das Substrat 8 aufzubringen, wobei die Geschwindigkeit ein vierter Parameter des 3D-Druckens sein kann. Insbesondere kann die Geschwindigkeit beispielsweise während des Verfahrens variiert werden.
  • Bei der ersten Ausführungsform weisen der Druckkopf 2 und somit der 3D-Drucker 1 eine Kammer 11 auf, welche, insbesondere über einen Versorgungskanal 12, fluidisch mit dem Reservoirbereich 5 verbunden oder verbindbar ist. Somit kann beispielsweise der flüssige oder pastöse Werkstoff 5 auf aus der Kammer 11, insbesondere über den Versorgungskanal 12, in den Reservoirbereich 4 geführt oder geleitet werden. Ferner ist es denkbar, dass die Kammer 11 ein Teil des Reservoirbereichs 4 ist. In der Kammer 11 ist der Werkstoff 5 in dem flüssigen oder pastösen Zustand des Werkstoffs 5 zumindest vorübergehend aufnehmbar, vorliegend aufgenommen. Die Kammer 11 weist ein Volumen V auf, welches veränderbar ist, wodurch zum 3D-Drucken des Bauelements 9 der flüssige oder pastöse Werkstoff 5 aus der Kammer 11 und insbesondere durch den Versorgungskanal 12 hindurch förderbar und in den Reservoirbereich 5 hineinförderbar ist. Bei der ersten Ausführungsform ist die Kammer 11 teilweise durch eine elastisch verformbare Membran 13, insbesondere direkt, begrenzt, wobei die elastisch verformbare Membran 13 eine elastisch verformbare, erste Wandung ist, die die Kammer 11 teilweise, insbesondere direkt, begrenzt. Durch elastisches Verformen der Membran 13 ist das Volumen V der Kammer 11 veränderbar. Die Kammer 11 ist außerdem teilweise durch eine formstabile, nicht gummielastische, weitere Wandung 14 begrenzt, welche beispielsweise durch ein formstabiles, nicht-gummielastisches Gehäuseteil gebildet ist. Das Gehäuseteil kann Bestandteil des Gehäuses 3 sein. Zum Verändern des Volumens V ist die Membran 13 (erste Wandung) verformbar und dadurch zumindest teilweise relativ zu der Wandung 14 bewegbar. Beispielsweise ist die Membran 13 aus einem Kunststoff gebildet. Der Druckkopf 2 weist dabei einen Aktor 15 auf, mittels welchem die Membran 13 verformbar ist. Beispielsweise weist der Aktor 15 ein Aktorgehäuse 16 und einen Stößel 17 auf, welcher relativ zu dem Aktorgehäuse 16 in eine durch einen Pfeil 18 veranschaulichte, erste Aktorrichtung und in eine durch einen Pfeil 19 veranschaulichte, der ersten Aktorrichtung entgegengesetzte, zweite Aktorrichtung bewegbar ist. Die erste Aktorrichtung weist von dem Aktorgehäuse 16 in Richtung der Kammer 11, und demzufolge weist die zweite Aktorrichtung von der Kammer 11 weg in Richtung des Aktorgehäuses 16. Wird der Stößel 17 in die erste Aktorrichtung relativ zu dem Aktorgehäuse 16 translatorisch bewegt und somit beispielsweise zumindest teilweise aus dem Aktorgehäuse 16 ausgefahren, so wird die Membran 13 derart elastisch verformt, dass das Volumen V verkleinert wird. Hierdurch wird zumindest ein Teil des zunächst in der Kammer 11 aufgenommenen Werkstoffs 5 aus der Kammer 11 herausgefördert, durch den Versorgungskanal 12 hindurchgefördert und in den Reservoirbereich 4 hineingefördert. Wird daraufhin der Stößel 17 in die zweite Aktorrichtung relativ zu dem Aktorgehäuse 16 translatorisch bewegt, so wird das Volumen V der Kammer 11 vergrößert, wodurch insbesondere von dem Reservoirbereich 4 hin zu der Kammer 11 betrachtet ein Unterdruck erzeugt wird, mittels welchem beispielsweise ein Teil des flüssigen oder pastösen Werkstoffs aus dem Reservoirbereich 5 in die Kammer 11 gefördert, insbesondere zurückgefördert, wird. Durch Verkleinern des Volumens V der Kammer 11 wird von der Kammer 11 hin zu dem Reservoirbereich 4 betrachtet ein Überdruck erzeugt, durch welchen zumindest ein Teil des zunächst in der Kammer 11 angeordneten, flüssigen oder pastösen Werkstoffs 5 aus der Kammer 11 herausgefördert, durch den Versorgungskanal 12 hindurchgefördert und in den Reservoirbereich 4 hineingefördert wird. Hierdurch kann beispielsweise eine Menge des Werkstoffs 5 eingestellt werden, der an der Kugel 10 anhaftet und demzufolge mittels der Kugel 10 auf das Substrat 8 aufgebracht wird. Durch Erzeugen beziehungsweise Bewirken des Unterdrucks wird beispielsweise ein unerwünschtes und unkontrolliertes Tropfen des flüssigen oder pastösen Werkstoffs 5 über die Austrittsöffnung 6 aus dem Gehäuse 3 heraus vermieden.
  • Der Druckkopf 2 weist bei der ersten Ausführungsform eine beispielsweise elektrisch betreibbare Heizeinrichtung 20 auf, mittels welcher der Werkstoff 5 in der Kammer 11 erwärmt und dadurch aus einem festen Zustand, das heißt aus einem festen Aggregatszustand des Werkstoffs 5 in den flüssigen oder pastösen Zustand überführt werden kann. Somit ist es beispielsweise denkbar, dass bei dem Verfahren der Werkstoff 5 in festen Aggregatszustand in die Kammer 11 eingebracht und in der Kammer 11 mittels der insbesondere elektrischen Heizeinrichtung 20 erwärmt und dadurch aus dem festen Aggregatszustand in den flüssigen oder pastösen Zustand überführt wird. Wie zuvor beschrieben kann durch Verkleinern des Volumens V der zuvor genannte Überdruck bewirkt werden, mittels welchem zumindest ein Teil des flüssigen oder pastösen Werkstoffs 5 aus der Kammer 11 in den Reservoirbereich 4 gefördert werden kann. Durch insbesondere darauffolgendes Vergrößern des Volumens V der Kammer 11 kann der zuvor genannte Unterdruck erzeugt werden, durch welchen beispielsweise zumindest ein Teil des Werkstoffs 5 aus dem Reservoirbereich 4 über den Versorgungskanal 12 (wieder) in die Kammer 11 gefördert und/oder zumindest ein Teil des Werkstoffs 5 in dem Reservoirbereich 4 weg von der Austrittsöffnung 6 gefördert wird, wodurch ein unkontrolliertes Strömen des Werkstoffs 5 aus dem Reservoirbereich 4 an die Umgebung 7 vermieden werden kann. Insbesondere kann durch Erzeugen des Überdrucks, das heißt durch Verkleinern des Volumens V ein Ausgabevorgang des Werkstoffs 5 gestartet werden. Bei dem Ausgabevorgang wird zumindest ein Teil des Werkstoffs 5 aus der Kammer 11 in den Reservoirbereich 5 gefördert. Durch Erzeugen beziehungsweise Bewirken des Unterdrucks, das heißt durch Vergrößern des Volumens V kann der Ausgabevorgang gestoppt werden, ohne dass es zu einem unkontrollierten und unerwünschten Strömen des Werkstoffs 5 aus der Kammer 11 in den Reservoirbereich 5 kommt. Außerdem kann durch das Vergrößern und Verkleinern des Volumens V, das heißt durch das Verändern des Volumens V beispielsweise eine die Austrittsöffnung 6, insbesondere den Spalt S, durchströmende und mittels der Kugel 10 auf das Substrat 8 aufgebrachte Menge des Werkstoffs 5 besonders präzise dosiert werden.
  • Vorgesehen ist beispielsweise auch eine, insbesondere mechanische, Feder 28, mittels welcher die Kugel 10 in zumindest mittelbar, insbesondere direkte, Stützanlage mit dem Gehäuse 3 zu halten oder gehalten ist. Mit andere Worten stellt die Feder 28 eine Federkraft bereit, welche von der Feder 28, insbesondere direkt, auf die Kugel 28 wirkt und dabei in Richtung der Austrittsöffnung 6 wirkt, insbesondere von der Feder 28 aus betrachtet. Mittel der Federkraft wird die Kugel 10 gegen das Gehäuse 3 und/oder gegen das Substrat 3 gedrückt und dabei insbesondere in der Austrittsöffnung 6 gehalten. Somit dient die Feder 28 einer vorteilhaften Andruckkontrolle der Kugel 10 an das Gehäuse 3 beziehungsweise an die Austrittsöffnung 6.
  • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Druckkopfes 2. Gemäß der ersten Ausführungsform ist der Druckkopf 2 nach Art eines Kugelschreibers ausgebildet. Bei der zweiten Ausführungsform ist der Druckkopf 2 nach Art eines Tuschezeichners ausgebildet. Bei der zweiten Ausführungsform weist der Druckkopf 2 den Reservoirbereich 4 auf, in welchem der Werkstoff 5 in dem flüssigen oder pastösen Zustand des Werkstoffs 5 aufnehmbar oder aufgenommen ist. Des Weiteren weist der Druckkopf 2 ein Rohrelement 21 auf, welches als filigranes Rohr ausgebildet ist und daher auch als Röhrchen bezeichnet wird. Beispielsweise ist das Rohrelement 21 separat von einem Gehäuse 3 ausgebildet und an dem Gehäuse 3 des Druckkopfes 2 gehalten. Dabei ist das Gehäuse 3 von dem flüssigen oder pastösen Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 durchströmbar. Das Rohrelement 21 weist einen von dem flüssigen oder pastösen Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 durchströmbaren Kanal 22 mit einer an einem freien Ende E des Rohrelements 21 angeordneten Austrittsöffnung 23 auf, über welche der Kanal 22 an sich an die Umgebung 7 mündet und somit zum 3D-drucken des Bauelements 9 der aus dem Reservoirbereich 4 stammende Werkstoff 5 in dem flüssigen oder pastösen Zustand des Werkstoffs 5 aus dem Kanal 22 und dadurch aus dem Rohrelement 21 an dessen Umgebung 7 abführbar und dadurch von dem Druckkopf 2 bereitstellbar und auf das Substrat 8 aufbringbar, insbesondere aufdruckbar ist. Des Weiteren weist der Druckkopf 2 gemäß der zweiten Ausführungsform ein Stiftelement 24 auf, welches relativ zu dem Rohrelement 21 entlang einer in 2 durch einen Doppelpfeil 25 veranschaulichten Bewegungsrichtung zwischen einer in 2 gezeigten Ruhestellung R und wenigstens einer Druckstellung translatorisch bewegbar ist. Das Stiftelement 24 ist sowohl in der Ruhestellung R als auch in der Druckstellung in dem an dem freien Ende E über die Austrittsöffnung 23 an die Umgebung mündenden Kanal 22 und somit im Rohrelement 21 angeordnet. In der Ruhestellung R durchdringt das Stiftelement 24 die Austrittsöffnung 23, wodurch in der Ruhestellung R das Stiftelement 24 über die Austrittsöffnung 23 aus dem Kanal 22 und aus dem Rohrelement 21 herausragt. Hierdurch ist in der Ruhestellung R ein Längenbereich L2 des Stiftelements 24 außerhalb des Rohrelements 21 und außerhalb des Kanals 22 und in der Umgebung 7 angeordnet. In der Druckstellung ist der Längenbereich L2 in dem Kanal 22 und somit dem Rohrelement 21 angeordnet.
  • Um mittels des Druckkopfes 2 das Bauelement 9 auf das Substrat 8 aufzudrucken, wird das freie Ende E, insbesondere ein an dem freien Ende E angeordnete Stirnfläche 26 des an der Stirnfläche 26 endenden Rohrelement 21 in, insbesondere direkte, Stützanlage, das heißt in, insbesondere direkten, Kontakt mit dem Substrat 8 bewegt, insbesondere derart, dass zumindest mehr als die Hälfte der Stirnfläche 26, insbesondere die gesamte Stirnfläche 26, direkt an dem Substrat 8 abgestützt ist. Hierdurch wird das Stiftelement 24 aus der Ruhestellung R in die Druckstellung bewegt, mithin der Längenbereich L2 in den Kanal 22 und somit in das Rohrelement 21 hineinbewegt, insbesondere derart, dass das Stiftelement 24, insbesondere ein zweites freies Ende E2 des Stiftelements 24, bündig mit dem Rohrelement 21, insbesondere mit dem Ende E, angeordnet ist. Hierdurch wird zum 3D-Drucken des Bauelements 9 auf dem Substrat 8 der flüssige oder pastöse Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 über den Kanal 22 und Austrittsöffnung 23 auf das Substrat 8 aufgebracht, das heißt aufgedruckt.
  • Das Stiftelement 24 ist mit einem auch als Führungskolben bezeichneten Kolben 27 verbunden, insbesondere derart, dass das Stiftelement 24 und der Kolben 27 als separat voneinander ausgebildete und miteinander verbundene Bauelemente ausgebildet sind. Somit ist der Kolben 27 mit dem Stiftelement 24 entlang der durch den Doppelpfeil 25 veranschaulichten Bewegungsrichtung relativ zu dem Gehäuse 3 translatorisch mitbewegbar. Insbesondere ist über den Kolben 27 das Stiftelement 24 einem Gehäuse 3 geführt. Mit anderen Worten dient der Kolben 27 zum Führen des Stiftelements 24 bei dessen entlang der Bewegungsrichtung relativ zu dem Gehäuse 3 erfolgenden, translatorischen Bewegungen. Beispielsweise kann der flüssige oder pastöse Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 über einen Versorgungskanal 12 in den Kanal 22 einströmen, insbesondere in der Druckstellung des Stiftelements 24, sodass beispielsweise in der Druckstellung ein zumindest im Wesentlichen kontinuierlicher Fluss des Werkstoffs 5 aus dem Reservoirbereich 4 durch den Versorgungskanal 12 und durch den Kanal 22 hindurch und aus dem Kanal 22 heraus auf das Substrat 8 realisiert werden kann. Beispielsweise ist der Kanal 22, insbesondere mittels des Kolbens 27, in der Ruhestellung R fluidisch von dem Reservoirbereich 4 getrennt, sodass in der Ruhestellung R der Werkstoff 5 aus dem Reservoirbereich 4 nicht die Austrittsöffnung 23 hindurchströmen und somit nicht in die Umgebung 7 gelangen kann. Um das Bauelement 9 auf das Substrat 8 aufzudrucken, wird, während sich das Stiftelement 24 in der Druckstellung befindet, der Druckkopf 2 insbesondere entlang einer der zuvor genannten Bewegungsbahnen relativ zu dem Substrat 8 bewegt. Hierdurch wird das Bauelement 9, insbesondere entlang der Bewegungsbahnen, auf das Substrat 8 aufgedruckt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    3D-Drucker
    2
    Druckkopf
    3
    Gehäuse
    4
    Reservoirbereich
    5
    Werkstoff
    6
    Austrittsöffnung
    7
    Umgebung
    8
    Substrat
    9
    Bauelement
    10
    Kugel
    11
    Kammer
    12
    Versorgungskanal
    13
    Membran
    14
    Wandung
    15
    Aktor
    16
    Aktorgehäuse
    17
    Stößel
    18
    Pfeil
    19
    Pfeil
    20
    Heizeinrichtung
    21
    Rohrelement
    22
    Kanal
    23
    Austrittsöffnung
    24
    Stiftelement
    25
    Doppelpfeil
    26
    Stirnfläche
    27
    Kolben
    28
    Feder
    E
    Ende
    E2
    Ende
    L
    Längenbereich
    L2
    Längenbereich
    R
    Ruhestellung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • DE 553776 C [0025]
    • DE 1993401 U [0025]
    • US 174965 A [0025]

Claims (10)

  1. Druckkopf (2) für einen 3D-Drucker (1) zum 3D-Drucken von Bauelementen (9), mit einem Gehäuse (3), welches aufweist: - einen Reservoirbereich (4), in welchem ein Werkstoff (5), aus welchem das jeweilige Bauelement (9) herzustellen ist, in flüssigem oder pastösem Zustand des Werkstoffs (5) zumindest vorübergehend aufnehmbar ist, und - eine Austrittöffnung (6), über welche zum 3D-Drucken des jeweiligen Bauelements (9) der Werkstoff (5) aus dem Reservoirbereich (4) und aus dem Gehäuse (3) an dessen Umgebung (7) abführbar und dadurch von dem Druckkopf (2) bereitstellbar und auf ein Substrat (8) aufbringbar ist, gekennzeichnet durch eine drehbar an dem Gehäuse (3) gehaltene und die Austrittsöffnung (6) durchdringende Kugel (10), welche auf ihrer dem Reservoirbereich (4) zugewandten Seite (S1) mit dem flüssigen oder pastösen Werkstoff (5) aus dem Reservoirbereich (4) versehbar und auf dem Substrat (8) abrollbar und dadurch relativ zu dem Gehäuse (3) drehbar ist, wodurch zum 3D-Drucken des jeweiligen Bauelements (9) mittels der Kugel (10) der flüssige oder pastöse Werkstoff (5) aus dem Reservoirbereich (4) durch die Austrittsöffnung (6) hindurchförderbar und auf das Substrat (8) aufbringbar ist.
  2. Druckkopf (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (6) an einem freien Ende (E) des Gehäuse (3) angeordnet ist, welches einen sich zu der Austrittsöffnung hin verjüngenden Längenbereich (L) aufweist.
  3. Druckkopf (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung genau an dem freien Ende (E) endet.
  4. Druckkopf (2) für einen 3D-Drucker (1) zum 3D-Drucken von Bauelementen (9), mit einem Reservoirbereich (4), in welchem ein Werkstoff (5), aus welchem das jeweilige Bauelement (9) herzustellen ist, in flüssigem oder pastösem Zustand des Werkstoffs (5) zumindest vorübergehend aufnehmbar ist, gekennzeichnet durch: - ein Rohrelement (21), welches einen von dem flüssigen oder pastösen Werkstoff (5) aus dem Reservoirbereich (4) durchströmbaren Kanal (22) mit einer an einem freien Ende (E) des Rohrelements (21) angeordneten Austrittsöffnung (23) aufweist, über welche zum 3D-Drucken des jeweiligen Bauelements (9) der Werkstoff (5) in dem flüssigen oder pastösen Zustand des Werkstoffs (5) aus dem Kanal (22) und dadurch aus dem Rohrelement (21) an dessen Umgebung (7) abführbar und dadurch von dem Druckkopf (2) bereitstellbar und auf ein Substrat (8) aufbringbar ist, und - ein in dem an dem freien Ende (E) über die Austrittsöffnung (23) an die Umgebung (7) mündenden Kanal (22) und dadurch in dem Rohrelement (21) angeordnetes Stiftelement (24), welches relativ zu dem Rohrelement (21) zwischen einer Ruhestellung (R), in welcher das Stiftelement (24) die Austrittsöffnung (23) durchdringt und dadurch über die Austrittsöffnung (23) aus dem Rohrelement (21) herausragt, wodurch ein Längenbereich (L2) des Stiftelements (24) außerhalb des Rohrelements (21) und in der Umgebung (7) angeordnet ist, und wenigstens einer Druckstellung translatorisch bewegbar ist, in welcher der Längenbereich (L2) in dem Kanal (22) und dadurch in dem Rohrelement (21) angeordnet ist, dessen freies Ende (E) unter Bewegen des Stiftelements (24) aus der Ruhestellung (R) in die Druckstellung in Stützanlage mit dem Substrat (8) und entlang des Substrats (8) bewegbar ist, wodurch zum 3D-Drucken des jeweiligen Bauelements (9) der flüssige oder pastöse Werkstoff (5) aus dem Reservoirbereich (4) über den Kanal (22) und die Austrittsöffnung (23) auf das Substrat (8) aufbringbar ist.
  5. Druckkopf (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilbereich des Kanals (22) in der Druckstellung und/oder in der Ruhestellung (R) als eine Kapillare ausgebildet ist, durch welche der flüssige oder pastöse Werkstoff (5) aus dem Reservoir (4) mittels des Kapillareffekts hindurchförderbar und zu der Austrittsöffnung (23) hinförderbar ist.
  6. Druckkopf (2) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (21) einen sich zu der Austrittsöffnung (23) hin verjüngenden Längenbereich aufweist.
  7. Druckkopf (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung genau an dem freien Ende (E) endet.
  8. Verfahren zum Herstellen wenigstens eines Bauelements (9), bei welchem das Bauelement (9) durch 3D-Drucken hergestellt wird, wobei zum 3D-Drucken wenigstens ein Druckkopf (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als das Bauelement (9) eine Leiterbahn hergestellt wird, welche mittels des Druckkopfes (2) auf das Substrat (8) aufgebracht und dadurch auf das Substrat (8) aufgedruckt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als der Werkstoff (5) ein metallischer und/oder elektrisch leitfähiger Werkstoff verwendet wird.
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