-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker.
-
Stand der Technik
-
Ein 3D-Drucker für ein in seiner Viskosität veränderliches Material erhält eine feste Phase dieses Materials als Ausgangsmaterial, erzeugt daraus eine flüssige Phase und bringt diese flüssige Phase selektiv an den Stellen, die zu dem zu erzeugenden Objekt gehören, auf. Ein solcher 3D-Drucker umfasst einen Druckkopf, in dem das Ausgangsmaterial druckfertig aufbereitet wird. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, vorgesehen. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.
-
Der Druckkopf hat einen ersten Betriebszustand, in dem flüssiges Material aus ihm austritt, und einen zweiten Betriebszustand, in dem kein flüssiges Material aus ihm austritt. Der zweite Betriebszustand wird beispielsweise dann eingenommen, wenn eine andere Position auf der Arbeitsfläche angefahren werden und auf dem Weg dorthin kein Material deponiert werden soll. Zwischen den beiden Betriebszuständen des Druckkopfes kann beispielsweise umgeschaltet werden, indem der Vortrieb des festen Ausgangsmaterials ein- bzw. ausgeschaltet wird.
-
Aus der
DE 10 2016 222 306 A1 ist bekannt, ein Granulat über einen Kolben und eine beheizte Strecke zu plastifizieren. Wenn der Kolben auf das Granulat drückt, wird dieses verdichtet und zu einer Plastifizierungszone gefördert.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckkopf bereitzustellen, der den auftretenden Kräften Stand hält und einen stabilen Druckprozess ermöglicht.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Druckkopf für einen 3D-Drucker entwickelt. Dieser Druckkopf umfasst eine Einzugszone mit einer Zuführung für ein in seiner Viskosität veränderliches Ausgangsmaterial, eine Plastifizierungszone mit einer Heizung und einer Austrittsöffnung für die flüssige Phase des Ausgangsmaterials sowie eine Fördervorrichtung zur Förderung des Granulats von der Einzugszone in die Plastifizierungszone, wobei die Fördervorrichtung einen in die Einzugszone einführbaren Kolben umfasst. Ferner weist der Kolben einen der Plastifizierungszone zugewandten ersten Kolbenabschnitt mit einer Führungsfläche auf, durch die der Kolben in einer Ausnehmung des Druckkopfs geführt ist. Dabei kann insbesondere die Zuführung für ein als Granulat vorliegendes Ausgangsmaterial vorgesehen sein. Das Ausgangsmaterial kann insbesondere ein thermoplastisches Material sein.
-
Erfindungsgemäß ist der Kolben innerhalb der Ausnehmung des Druckkopfs gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Kolben durch eine formschlüssige Verbindung des ersten Kolbenabschnitts mit der Ausnehmung des Druckkopfs gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert.
-
Eine derartige Anordnung des Kolbens in der Ausnehmung des Druckkopfs verhindert in vorteilhafter Weise ein Verklemmen und Verkanten des Kolbens in der Ausnehmung des Druckkopfs, wodurch ein quasi verschleißfreier Betrieb des Druckkopfes ermöglicht wird. Die Erfindung stellt sicher, dass der Kolben immer optimal in der Ausnehmung des Druckkopfs geführt wird und dieser beim Auftreffen auf das Granulat nicht ausweicht, verkantet oder sich verdreht. Dadurch wird ein kontinuierlicher und dauerhafter Betrieb des Druckkopfs ermöglicht.
-
Die formschlüssige Verbindung des ersten Kolbenabschnitts mit der Ausnehmung des Druckkopfs sorgt dafür, dass bei elektroangetriebenen Stellern, insbesondere Elektromotoren, die durch eine Rotationsbewegung eine Linearbewegung des Kolbens erzeugen, keine Rotation auf den ersten Kolbenabschnitt übertragen wird. Dadurch wird in vorteilhafter Weise vermieden, dass sich der Kolben, bzw. der erste Kolbenabschnitt in der Ausnehmung des Druckkopfs verdreht.
-
Die formschlüssige Verbindung kann durch symmetrische oder asymmetrische Formen der Querschnittsfläche des ersten Kolbenabschnitts erfolgen.
-
In einem ersten Ausführungsbeispiel weisen der erste Kolbenabschnitt und die Ausnehmung des Druckkopfs eine polygonale, insbesondere sechseckige Querschnittsfläche auf.
-
Die polygonale, insbesondere sechseckige Querschnittsfläche bildet eine effektive konstruktive Maßnahme gegen ein Verkanten des ersten Kolbenabschnitts in der Ausnehmung, da in vorteilhafter Weise eine sichere Führung des Kolbens durch mehrere Führungsebenen erfolgt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise Verschleiß minimiert und die Lebensdauer des Druckkopfs verlängert werden.
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen der erste Kolbenabschnitt und die Ausnehmung des Druckkopfs eine teilkreisförmige, insbesondere halbkreisförmige Querschnittsfläche auf.
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen der erste Kolbenabschnitt und die Ausnehmung des Druckkopfs eine kreissegmentförmige Querschnittsfläche auf. Die teilkreisförmige, insbesondere halbkreisförmige Querschnittsfläche oder die kreissegmentförmige Querschnittsfläche bilden jeweils eine effektive konstruktive Maßnahme gegen ein Verkanten des ersten Kolbenabschnitts in der Ausnehmung, da in vorteilhafter Weise eine sichere Führung des Kolbens zumindest eine Führungsebene erfolgt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise Verschleiß minimiert und die Lebensdauer des Druckkopfs verlängert werden.
-
In einer Weiterbildung beträgt die axiale Ausdehnung der Führungsfläche des Kolbens zwischen dem 1,5- und dem 1,7-fachen der maximalen axialen Ausdehnung einer Öffnungsfläche der Zuführung zur Ausnehmung.
-
Die Größe der Öffnungsfläche der Zuführung zur Ausnehmung ist relevant für die Menge des zugeführten Granulats aus der Zuführung in die Ausnehmung des Druckkopfs, bzw. in die Einzugszone des Druckkopfs.
-
Der Überstand der Führungsfläche des Kolbens zur Öffnungsfläche der Zuführung sorgt in vorteilhafter Weise für eine stabile Führung des Kolbens in der Ausnehmung.
-
Überraschender Weise hat sich herausgestellt, dass mit einem Kolben, der innerhalb der Ausnehmung des Druckkopfs gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert ist, eine längere Führungsfläche gewählt werden kann, wodurch in vorteilhafter Weise die Kolbenführung optimiert und die Standzeit des Kolbens erhöht wird.
-
Eine axiale Ausdehnung der Führungsfläche des Kolbens vom 1 ,6-fachen der maximalen axialen Ausdehnung der Öffnungsfläche der Zuführung zur Ausnehmung hat sich als besonders günstig herausgestellt.
-
In einer Weiterbildung weist der erste Kolbenabschnitt eine Schneidkante zum Abscheren des Ausgangsmaterials an der Öffnungsfläche der Zuführung auf. Die Schneidkante durchschneidet Granulat, insbesondere Granulatkörner, die innerhalb der Öffnungsfläche der Zuführung liegen. Auf dieser Weise wird in vorteilhafter Weise dafür gesorgt, dass der erste Kolbenabschnitt nicht vom Granulat blockiert wird, sondern dieses durchschneidet. Ein mögliches Verkannten des ersten Kolbenabschnitts wird somit vermieden. Die Schneidkante kann aus gehärtetem Material oder einer separaten Schneide, insbesondere Hartmetall-Schneide gebildet sein.
-
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
-
Ausführungsbeispiele
-
Es zeigen:
- 1 einen Druckkopf gemäß der Erfindung;
- 2 den Druckkopf in einer Schnittzeichnung;
- 3 ein erstes Ausführungsbeispiel des Druckkopfs in einer Schnittzeichnung;
- 4 ein zweites Ausführungsbeispiel des Druckkopfs in einer Schnittzeichnung und
- 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Druckkopf in einer Schnittzeichnung.
-
1 zeigt einen Druckkopf 10 gemäß der Erfindung. Der Druckkopf 10 für einen 3D-Drucker 1 umfasst eine Einzugszone 11 mit einer Zuführung 12 für ein in seiner Viskosität veränderliches Ausgangsmaterial 20, 21, eine Plastifizierungszone 14 mit einer Heizung 15 und einer Austrittsöffnung 16 für die flüssige Phase 22 des Ausgangsmaterials 21 sowie eine Fördervorrichtung 30 zur Förderung des Ausgangsmaterials 21 von der Einzugszone 11 in die Plastifizierungszone 14, wobei die Fördervorrichtung 30 einen in die Einzugszone 11 einführbaren Kolben 31 umfasst. Der Kolben 31 weist einen der Plastifizierungszone 14 zugewandten ersten Kolbenabschnitt 5 mit einer Führungsfläche 9 auf, durch die der Kolben 31 in einer Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 geführt ist. Der Kolben 31 ist erfindungsgemäß innerhalb der Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert, insbesondere durch eine formschlüssige Verbindung des ersten Kolbenabschnitts 5 mit der Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10.
-
Ferner umfasst der Druckkopf 10 ein Gehäuse 19 mit dem darin geführten Kolben 31. Der Kolben 31 besteht aus dem ersten Kolbenabschnitt 5 und einem zweiten Kolbenabschnitt 6. Der erste Kolbenabschnitt 5 ist in Bezug auf das Ausgangsmaterial 20, 21 dichtend in der zentralen Ausnehmung 7 des Gehäuses 19 geführt. Es hindert die feste Phase 21 des Ausgangsmaterials 20 am Entweichen und drückt diese feste Phase 21 aus der Einzugszone 11 in die Kompressionszone 11 a, wo sich eine Grenzschicht 11b zur flüssigen Phase 22 des Ausgangsmaterials 20 ausbildet. Der zweite Kolbenabschnitt 6 liegt oberhalb des ersten Kolbenabschnitts 5 und wird beispielsweise über eine Spindel eines nicht dargestellten Motors in vertikaler Richtung 38 bewegt. Bevorzugt werden Elektromotoren angewendet. Bei Bewegung des Kolbens 31 in Richtung der Austrittsöffnung 16 des Druckkopfes 10 wird die flüssige Phase 22 des Ausgangsmaterials 20 aus der Austrittsöffnung 16 ausgestoßen. 1 ist eine Momentaufnahme in dem Zustand, in dem genau dies möglich ist, der Druckkopf 10 also druckbereit ist. In diesem Zustand ist das Arbeitsvolumen 17 innerhalb der zentralen Ausnehmung 7 im Gehäuse 19 des Druckkopfes 10 vergleichsweise klein.
-
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die feste Phase 21 des Ausgangsmaterials 20 über einen Trichter 12 zugeführt und rieselt in die Einzugszone 11 im Druckkopf 10, sobald der Kolben 31 hinter diese Einzugszone 11 zurückgezogen wird. Das Ausgangsmaterial 20 ist bevorzugt ein Granulat. Damit dieses Nachrieseln möglich ist, darf in der Einzugszone 11 nur die feste Phase 21 des Ausgangsmaterials vorliegen. Diese feste Phase 21 darf insbesondere nicht aufschmelzen und verkleben. Daher ist die Einzugszone 11 über Kühlmittel 13 von außen gekühlt. Die Kühlmittel 13 umfassen eine aktive Kühlung 13a mit einem Kühlmedium und eine passive Kühlung 13b mit Kühlrippen. Dies trägt dazu bei, dass die Temperatur TS in der Einzugszone unterhalb der Temperatur TP bleibt, ab der die feste Phase 21 des Ausgangsmaterials 20 plastifiziert.
-
Ferner kann an der Zuführung 12 eine nicht dargestellte Lufteinblasdüse angeordnet werden, die bevorzugt in der Nähe einer Öffnungsfläche 8 der Zuführung 12 zur Ausnehmung 7 angeordnet ist. Die Lufteinblasdüse sorgt dafür, dass durch unter Druck eingeblasene Luft, das Granulat, welches nicht vollständig in die Einzugszone 11 hineingerieselt ist, entweder in die Einzugszone 11 hineingeblasen oder aus dem Bereich der Öffnungsfläche 8 den Trichter 12 hinaufzublasen, so dass der Kolben 31 problemlos die Öffnungsfläche 8 verschließen kann.
-
Die feste Phase 21 des Ausgangsmaterials 20 wird in der Plastifizierungszone 14 mittels der Heizung 15 erwärmt und hierdurch in die flüssige Phase 22 umgewandelt, die bei Druckbeaufschlagung aus der Austrittsöffnung 16 auszutreten vermag.
-
Der Verlauf der Temperatur T entlang der Achse 19b des Gehäuses 19 ist rechts in 1 skizziert.
-
2 zeigt den erfindungsgemäßen Druckkopf 10 in einer Schnittzeichnung eines vertikalen Schnitts durch den Druckkopf 10. Der Kolben 31 weist einen, der Plastifizierungszone 14 zugewandten, ersten Kolbenabschnitt 5 mit einer Führungsfläche 9 auf, durch die der Kolben 31 in einer Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10, bzw. des Gehäuses 19 geführt ist.
-
Die Führungsfläche 9 ist in ihrer axialen Ausdehnung I2 länger als eine maximale axiale Ausdehnung I1 einer Öffnungsfläche 8 der Zuführung 12 zur Ausnehmung 7. Die Öffnungsfläche 8 der Zuführung 12 zur Ausnehmung 7 ist derart ausgelegt, dass das zugeführte Granulat 21 optimal in die Ausnehmung, bzw. in die Einzugszone 11 zugeführt werden kann.
-
Die axiale Ausdehnung I2 der Führungsfläche 9 des Kolbens 31 beträgt bevorzugt zwischen dem 1,5- und dem 1,7-fachen, insbesondere das 1,6-fache der maximalen axialen Ausdehnung I1 der Öffnungsfläche 8.
-
Ferner weist der erste Kolbenabschnitt 5 einen Abstand d1, d4 auf. Der dargestellte Kolben 31 mit der entsprechend dimensionierten Führungsfläche 9 vermeidet ein Verkanten des Kolbens 31 in der Ausnehmung 7 und verringert ein Eindringen des verformten Granulats in den Spalt zwischen der Führungsfläche 9 und der Ausnehmung 7.
-
Der Kolben 31 weist ferner den zweiten Kolbenabschnitt 6 auf, dessen Kolbendurchmesser d2 kleiner ist als ein horizontaler Abstand d1 des ersten Kolbenabschnitts 5, wobei dieser ein horizontaler Abstand d1, eine horizontale Diagonale d4 oder ein horizontaler Durchmessers d1 des ersten Kolbenabschnitts 5 sein kann.
-
3 zeigt eine Schnittzeichnung eines horizontalen Schnitts des Kolbens 31 eines ersten Ausführungsbeispiels, wobei der Kolben 31 innerhalb der Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert ist. Der Kolben 31 ist durch eine formschlüssige Verbindung des ersten Kolbenabschnitts 5 mit der Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert.
-
In dieser Ausführungsform weisen der erste Kolbenabschnitt 5 und die Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 eine polygonale, insbesondere sechseckige Querschnittsfläche auf.
-
Der erste Kolbenabschnitt 5 bildet an seiner zur Öffnungsfläche 8 hin gerichteten Seite eine ebene Fläche 3 aus und ein maximaler horizontale Durchmesser d3 der Öffnungsfläche 8 ist hier kleiner als ein horizontaler Abstand d4 des ersten Kolbenabschnitts 5. Der horizontale Abstand d4 ist der Abstand einer Diagonalen zweier sich gegenüberliegender Kanten 18 der polygonalen Grundfläche des ersten Kolbenabschnitts 5.
-
Ferner ist der zweite Kolbenabschnitt 6 dargestellt, dessen Kolbendurchmesser d2 kleiner ist als eine horizontaler Abstand d1 des ersten Kolbenabschnitts 5, wobei der horizontale Abstand d1 des ersten Kolbenabschnitts 5, der Abstand der parallel gegenüberliegenden Flächen 2 des ersten Kolbenabschnitts 5 ist.
-
4 zeigt eine Schnittzeichnung eines horizontalen Schnitts des Kolbens 31 eines zweiten Ausführungsbeispiels, wobei der Kolben 31 innerhalb der Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert ist. Der Kolben 31 ist durch eine formschlüssige Verbindung des ersten Kolbenabschnitts 5 mit der Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert.
-
In dieser Ausführungsform weisen der erste Kolbenabschnitt 5 und die Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 eine polygonale, insbesondere sechseckige Querschnittsfläche auf.
-
Der erste Kolbenabschnitt 5 weist zueinander parallele ebenen Flächen 2 auf. Ferner ist eine Kante 18 des Kolbenabschnitts 5 mittig zur Öffnungsfläche 8 ausgerichtet und der maximale horizontale Durchmesser d3 der Öffnungsfläche 8 ist kleiner als der horizontale Abstand d1 der parallelen ebenen Flächen 2 des ersten Kolbenabschnitts 5.
-
In einem dritten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, weisen der erste Kolbenabschnitt 5 und die Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 eine teilkreisförmige, insbesondere halbkreisförmige Querschnittsfläche auf.
-
In einem vierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, weisen der erste Kolbenabschnitt 5 und die Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 eine kreissegmentförmige Querschnittsfläche auf.
-
Ein Kreissegment beschreibt dabei eine Teilfläche einer Kreisfläche, die von einem Kreisbogen und einer Kreissehne begrenzt wird.
-
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Druckkopfes 10 in einer Schnittzeichnung eines vertikalen Schnitts durch den Druckkopf 10, wobei der erste Kolbenabschnitt 5 eine Schneidkante 4 zum Abscheren des Ausgangsmaterials 21 in Granulatform an der Öffnungsfläche 8 der Zuführung 12 aufweist. Die Schneidkante 4 ist aus einem gehärtetem Material gebildet und weist in der hier dargestellten Form ein separates Schneidwerkzeug, insbesondere eine Wendeplatte auf.
-
Der Kolben 31 weist auch hier den, der Plastifizierungszone 14 zugewandten, ersten Kolbenabschnitt 5 mit der Führungsfläche 9 auf, durch die der Kolben 31 in der Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10, bzw. des Gehäuses 19 geführt ist.
-
Die Öffnungsfläche 8 der Zuführung 12 zur Ausnehmung 7 ist derart ausgelegt, dass das zugeführte Granulat 21 optimal in die Ausnehmung, bzw. in die Einzugszone 11 zugeführt werden kann.
-
Ferner weist der erste Kolbenabschnitt 5 den Abstand d1, d4 auf. Der dargestellte Kolben 31 mit der entsprechend dimensionierten Führungsfläche 9 vermeidet ein Verkanten des Kolbens 31 in der Ausnehmung 7 und verringert ein Eindringen des verformten Granulats in den Spalt zwischen der Führungsfläche 9 und der Ausnehmung 7.
-
Der Kolben 31 weist ferner den zweiten Kolbenabschnitt 6 auf, dessen Kolbendurchmesser d2 kleiner ist als der Abstand d1, d4 des ersten Kolbenabschnitts 5.
-
Der Druckkopf 10 kann in beliebige 3D-Drucker integriert werden.
-
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
-
- DE 102016222306 A1 [0004]
