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Stand der Technik
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Typischerweise wird flüssige Phase eines Ausgangsmaterials zur Herstellung von 3-dimensionalen Bauteilen, bzw. Objekten durch Ausübung einer Kraft oder eines Drucks aus einer Austrittsöffnung herausgetrieben, so dass sie sich an dem herzustellenden Objekt anlagert und dort erstarrt. Die flüssige Phase, bzw. Schmelze des Ausgangsmaterials kann dabei wahlweise als kontinuierlicher Strang oder in Form einzelner Tropfen aus der Austrittsöffnung austreten. Bei festem Durchmesser der Austrittsöffnung ist die wichtigste Stellgröße während des Druckvorgangs die auf die flüssige Phase ausgeübte Kraft, bzw. der in diese flüssige Phase eingeleitete Druck. Die
US 2016/046 073 A1 offenbart, dass sich über den Druck unter anderem die von der Austrittsöffnung auf die flüssige Phase ausgeübte Scherkraft sowie die Viskosität der flüssigen Phase einstellen lassen.
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DE 10 2016 222 315 A1 offenbart einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, wobei im Bereich der Austrittsöffnung ein Drucksensor für den Druck, und ein Temperatursensor für die Temperatur der flüssigen Phase des Ausgangsmaterials angeordnet ist.
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Hohe Schmelzetemperaturen beeinflussen die Messergebnisse üblicher Druckmesssysteme oder es bedarf teurer Druckmesssensoren, um dem entgegenzuwirken.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher, ein günstiges Druckmesssystem bereitzustellen, welches stabile Messergebnisse auch bei hohen Temperaturen einer Schmelze ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Druckmesssystem zur Messung eines Drucks einer Schmelze, insbesondere einer Schmelze zum Drucken eines 3-dimensionalen Objekts mit einem 3D-Drucker.
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein Druckmesssystem entwickelt.
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Erfindungsgemäß umfasst das Druckmesssystem eine Adaptervorrichtung, ein Verbindungselement, einen Drucksensor und ein flüssiges Medium zur Druckübertragung innerhalb des Druckmesssystems.
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Es wurde erkannt, dass der Druck, beispielsweise beim 3D-Druck, der primäre Parameter ist, der über den Massenstrom an Ausgangsmaterial aus einer Austrittsöffnung entscheidet. Hierbei ist der Wert des Drucks an der Austrittsöffnung maßgeblich. Der an der Austrittsöffnung herrschende Druck kann sich deutlich von dem Druck unterscheiden, der beispielsweise am anderen Ende eines Reservoirs des Druckers in die flüssige Phase des Ausgangsmaterials eingeleitet wird. Die meisten in 3D-Druckern verwendeten Materialien sind thermoplastisch und daher komprimierbar. Liegt beispielsweise der Durchmesser der Austrittsöffnung in der Größenordnung 100 µm, so dass Strukturen mit einer Genauigkeit von ± 50 µm gedruckt werden können, so sind hohe Drücke um die 1500 bar erforderlich, um das Ausgangsmaterial durch die Austrittsöffnung zu treiben. Bei Drücken in dieser Größenordnung ist die Komprimierbarkeit des Ausgangsmaterials in einem Maße relevant, dass eine Bestimmung des Massenstroms anhand eines weit entfernt von der Austrittsöffnung in das Ausgangsmaterial eingeleiteten Drucks zu ungenau ist.
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Der erfindungsgemäße Aufbau des Druckmesssystems ermöglicht in vorteilhafter Weise eine flexible und modulare Gestaltung. Der modulare Aufbau des Druckmesssystems reduziert in vorteilhafter Weise die Kosten für die Druckmessung der Schmelze, da kein direkt in ein Schmelzereservoir eingebauter Hochtemperaturdrucksensor erforderlich ist. Somit stellt das System in vorteilhafter Weise eine wirtschaftlich und technologisch wertige Lösung dar, die unter hohen Einsatztemperaturen eingesetzt werden kann.
Der Verzicht auf einen Einbau des Drucksensors, beispielsweise unmittelbar an einem Schmelze austragenden Druckkopf, trägt in vorteilhafter Weise zu einer Gewichts- und Bauraumreduzierung des Druckkopfes bei, da weder der Sensor noch zusätzliche Auswerteelektronik nah am Druckkopf angeordnet sein müssen. Ferner ermöglicht der erfindungsgemäße Aufbau, dass notwendige Auswerteelektronik nicht mehr in der Nähe der heißen Messzone angeordnet sein muss, was zu besseren Messergebnisse führt, da der Temperatureinfluss auf die Messung reduziert ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Adaptervorrichtung eine Membran und zwischen der Membran und dem Verbindungselement einen Hohlraum zur Aufnahme des Mediums auf. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine Druckübertragung zwischen der Membran und dem Drucksensor erreicht. Die Membran steht in direkter Verbindung mit der Schmelze, deren Druckzustand gemessen werden soll.
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Der Einsatz einer Membran in der Adaptervorrichtung zur Aufnahme des Drucks im Reservoir, bzw. Schmelzereservoir ermöglicht in vorteilhafter Weise einen robusten Aufbau und bietet somit Vorteile gegenüber beispielsweise LichtwellenLeiter oder piezoresistiven Elementen. In einer besonders günstigen Ausführung ist die Membran, insbesondere Druckmembran aus Federstahl gebildet.
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Das Verbindungselement, welches zwischen der durch die Schmelze erhitzten Adaptervorrichtung und dem möglicherweise temperaturempfindlichen Drucksensor angeordnet ist, erfüllt in vorteilhafter Weise die Funktion Wärme passiv aus dem Medium abzuleiten und diese an die Umgebung abzugeben, damit der Drucksensor nicht überhitzt wird. Somit sorgt das Verbindungselement in vorteilhaftet Weise für eine passive Kühlung des Mediums.
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Der durch die Adaptervorrichtung und das Verbindungselement entstehenden Hohlraum wird mit einem Medium, beispielsweise Öl befüllt, dessen Einsatztemperatur bis zu 380°C oder höher ist. In einer besonders günstigen Ausführung ist das Medium ein Zylinder-Öl mit einer Arbeitstemperatur von ca. 380°C.
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In einer weiteren Ausführung kann das Medium ein niederschmelzendes Metall sein.
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In einer Weiterbildung ist die Adaptervorrichtung mehrteilig ausgebildet, wobei diese zumindest einen Kern, umfassend den Hohlraum zur Aufnahme des Mediums und einen Adapter zur Befestigung der Adaptervorrichtung am Reservoir umfasst.
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In einer Weiterbildung ist zwischen dem Kern und dem Adapter der Adaptervorrichtung ein Spalt ausgebildet und der Adapter weist ein Entlüftungsmittel zur Entlüftung des Spalts auf.
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Durch das Entlüftungsmittel, insbesondere der Entlüftungsschraube, kann beim Befüllen und Wechseln des Mediums in vorteilhafter Weise die im Hohlraum vorhanden Luft heraus gespült werden.
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In einer Weiterbildung ist der Drucksensor über eine Aufnahmevorrichtung mit dem Verbindungselement verbunden.
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Der Drucksensor ist durch den modularen Aufbau so weit von der erhitzten Schmelze entfernt, dass Standardsensoren einsetzbar sind. In einer vorteilhaften Ausführung hat der Druckmesssensor eine Arbeitstemperatur von ca. 130°C.
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In einer Weiterbildung weist die Aufnahmevorrichtung eine Kalibriervorrichtung zum Einstellen eines Drucks des Mediums im Druckmesssystem auf.
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In einer Weiterbildung weist die Kalibriervorrichtung einen verstellbaren Kolben auf.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Druckmesssystem (100) angeordnet an einem Schmelzereservoir (2) eines Druckkopfs (1) und
- 2 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Druckmesssystems (100).
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Druckmesssystem 100 angeordnet an einem Schmelzereservoir 2 eines nicht näher dargestellten Druckkopfs 1. Im Bereich einer Austrittsöffnung 5 ist das Druckmesssystem 100 zur Messung des Drucks der Schmelze 32 angeordnet. Die Schmelze 32 wird durch die Heizelemente 13 erhitzt oder ein Ausgangsmaterial aufgeschmolzen. Der Druck, der beispielsweise über einen nicht dargestellten Kolben auf die Schmelze ausgeübt wird, ist der Schmelzedruck. Das Druckmesssystem 100 umfasst eine Adaptervorrichtung 110, ein Verbindungselement 120, einen Drucksensor 130 und ein flüssiges Medium 140 zur Druckübertragung innerhalb des Druckmesssystems 100.
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Die Adaptervorrichtung 110 ist an dem Reservoir 2 des Druckkopfs 1 angeordnet. Das Reservoir 2 bildet in diesem Fall einen Düsenvorraum des Druckkopfs 1. Die Adaptervorrichtung 110 weist in Richtung des Reservoirs 2 eine Membran 115 und zwischen der Membran 115 und dem Verbindungselement 120 einen Hohlraum 150 zur Aufnahme des Mediums 140 auf.
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Die Adaptervorrichtung 110 ist mehrteilig ausgebildet, wobei diese zumindest einen Kern 111, umfassend den Hohlraum 150 zur Aufnahme des Mediums 140 und einen Adapter 112 zur Befestigung der Adaptervorrichtung 110 am Reservoir 2 umfasst.
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Am der Adaptervorrichtung 110 gegenüberliegenden Teil des Verbindungselements 120 ist eine Sensorbaugruppe 130 angeordnet, wobei an dieser der Drucksensor 135 über eine Aufnahmevorrichtung 131 mit dem Verbindungselement 120 verbunden ist.
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Die Aufnahmevorrichtung 131 weist eine Kalibriervorrichtung 132 zum Einstellen eines Drucks des Mediums 140 im Druckmesssystem 100 auf.
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Die Kalibriervorrichtung 132 weist einen verstellbaren Kolben 133 auf.
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Das Druckmesssystem 100 erfüllt die Funktion den Schmelzedruck, der im Reservoir 2, bzw. Schmelzreservoir und im Düsenvorraum vorhandene Schmelze 32, zu messen. Dabei befindet sich an der Wand des Reservoirs 2 die Membran 115, welche das Reservoir 2 verschließt. Auf der anderen Seite der Membran 115 ist der Hohlraum 150, wobei sich dieser vom Kern 111 der Adaptervorrichtung 110 über das Verbindungselement 120 bis in die Sensorbaugruppe 130 erstreckt. Der Kern 111 der Adaptervorrichtung wird in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Hohlschraube gebildet, die in dem Adapter 112 eingesetzt, bzw. verschraubt ist. Die Hohlschraube 111 ist somit durch das Verbindungselement 120, bzw. Verbindungsrohr mit dem Drucksensor 135 verbunden. Der durch die Hohlschraube 111 und durch das Verbindungsrohr 120 entstandene Hohlraum 150 wird mit dem Medium 150 befüllt.
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Wenn sich nun der Schmelzedruck im Bereich des Schmelzreservoirs 2 ändert, verformt sich die Membran 115 elastisch relativ zum Druck. Auf diese Weise wird die Druckänderung von der Membran 115 an des Medium 140 im Hohlraum 150 weitergeleitet und somit die Druckänderung von dem Drucksensor 135 erfasst. Zum Kalibrieren des Druckmesssystems 100 ist in der Aufnahmevorrichtung 131 der Sensorbaugruppe 130 ein Kalibrierkolben 133 angebracht, der mit dem Hohlraum 150 verbunden ist. Dadurch kann ein Vordruck im Druckmesssystem 100 eingestellt werden.
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Weiterhin hat das Verbindungselement 120 die Funktion passiv Wärme aus dem Medium 140 abzuleiten und diese an die Umgebung abzugeben, damit der Drucksensor 135 nicht überhitzt wird. Somit stellt das Verbindungselement eine passive Kühlung des Mediums 140 dar.
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3 zeigt im Detail, dass zwischen dem Kern 111 und dem Adapter 112 der Adaptervorrichtung 110 ein Spalt 113 ausgebildet ist und der Adapter 112 ein Entlüftungsmittel 114 zur Entlüftung des Spalts 113 aufweist.
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Der zwischen dem Adapter 112 und der Hohlschraube 111 ausgebildete Spalt 113, reicht in Axialrichtung der Hohlschraube 111 bis zur Membran 115 und ist durch das Entlüftungsmittel 114, bzw. der Entlüftungsschraube nach Außen verschlossen. Durch die Entlüftungsschraube 114 kann beim Befüllen und Wechseln des Mediums 140 die im Hohlraum 150 vorhanden Luft heraus gespült werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2016046073 A1 [0001]
- DE 102016222315 A1 [0002]
