DE112016005007B4

DE112016005007B4 - Viskositätspumpe mit einfüll- und fliessregelung und verfahren dafür

Info

Publication number: DE112016005007B4
Application number: DE112016005007.0T
Authority: DE
Inventors: L. Zinniel Robert; Samuel Batchelder J.
Original assignee: Stratasys Inc
Current assignee: Stratasys Inc
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2023-05-04
Anticipated expiration: 2036-10-29
Also published as: US20170122322A1; US10670019B2; DE112016005007T5; WO2017075396A1

Abstract

Viskositätspumpenbaugruppe (10) zur Verwendung in einem additiven Herstellungssystem, wobei die Viskositätspumpenbaugruppe (10) Folgendes umfasst:eine Viskositätspumpe (12) mit einer Pumpenkammer (26), konfiguriert zum Aufnehmen eines Vorrats an Verbrauchsmaterial von einem Einlass (70), wobei die Pumpenkammer (26) einen Auslass (24) mit einer konischen Ausgestaltung aufweist, und der zum Extrudieren des Verbrauchsmaterials daraus konfiguriert ist;ein Laufrad (14), das sich in die Pumpenkammer (26) erstreckt und eine Drehachse (41) hat, wobei das Laufrad (14) zum Bereitstellen einer Drehbewegung zum Pumpen des Verbrauchsmaterials durch das Auslassende und zum Bewegen parallel zur Drehachse (41) konfiguriert ist; und wobei das Laufrad (14) ein distales Spitzenende aufweist, das eine logarithmische Spirale umfasst, und eine konische Oberfläche mit einer zu der konischen Ausgestaltung des Auslasses (24) der Viskositätspumpe (12) komplementären Ausgestaltung aufweist, sodass das Laufrad (14) derart ausgestaltet ist, dass es mit dem Auslass (24) zusammenpasst, um eine Dichtung zwischen der konischen Oberfläche und dem konischen Auslass (24) zur Verfügung zu stellen;einen Laufradaktuator (47), der mit dem Laufrad (14) gekoppelt und zum Bewegen des Laufrads (14) parallel zur Drehachse (41) konfiguriert ist;eine Sensorbaugruppe (76), die wenigstens teilweise in dem Gehäuse positioniert und zum Erfassen eines Spiegels des Verbrauchsmaterials in der Pumpenkammer (26) konfiguriert ist; undeine Steuerung (100), konfiguriert zum Empfangen eines Signals von der Sensorbaugruppe (76) in Bezug auf den Spiegel des Verbrauchsmaterials in der Pumpenkammer (26), der mit einem Volumen von Verbrauchsmaterial in dem Gehäuse korreliert und mit einem volumetrischen Fließratensollwert verglichen werden kann, wobei die Steuerung (100) zum Senden eines Signals zum Laufradaktuator (47) zum Bewegen des Laufrads (14) parallel zur Drehachse (41) konfiguriert ist, um die volumetrische Fließrate relativ zum volumetrischen Fließratensollwert zu justieren.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Viskositätspumpe zum Extrudieren von geschmolzenen Materialien. Die vorliegende Offenbarung betrifft spezieller eine Viskositätspumpe mit einem drehbaren Laufrad, das linear parallel zu einer Drehachse in der Viskositätspumpe positioniert werden kann. Die Viskositätspumpe kann zum Extrudieren von Materialien in einem additiven Herstellungssystem benutzt werden.
Die DE 10 2011 106 615 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus verfestigbarem Material weist einen Bauraum zum Aufbau des Gegenstandes, eine Temperiereinheit zur Temperierung des Bauraums und eine Aufbereitungseinheit zur Aufbereitung des verfestigbaren Materials in die fluide Phase auf. Eine Druckerzeugungseinheit erzeugt den Druck auf die in der Aufbereitungseinheit vorliegende fluide Phase. Eine Austragseinheit ist zum Austragen des verfestigbaren Materials durch eine Austrittsöffnung in Richtung auf den Bauraum in Form von Tropfen vorgesehen. Dadurch, dass der temperierbare Bauraum von einer Bauraumeinfassung umgeben ist, in der zumindest die Austrittsöffnung der Austragseinheit und die Aufbereitungseinheit sowie der Objektträger zur Herstellung des Gegenstands aufgenommen sind, wird eine energieoptimierte Temperierung zur Unterstützung der Materialverbindung am Gegenstand erreicht.
Die GB 2 105 064 A beschreibt eine Vorrichtung zur Formung von Kunststoffprodukten, mit einem an einem Ende mit einer Austrittsdüse versehenen Zylinder, mit einer Schnecke, die axial in dem Zylinder angeordnet ist, deren Schneckenstege in geringem Abstand mit der Bohrung des Zylinders zusammenwirken und die an ihrem der Austrittsdüse abgelegenen Ende mit einem mit der Schnecke koaxialen Teil verbunden ist, welches unter Abdichtung durch einen axialen Durchlass an dem der Austrittsdüse abgelegenen Ende des Zylinders hindurchgreift und bis zu einer Antriebseinrichtung für den Drehantrieb der Schnecke hinführt, wobei die Schnecke drehbar und axial verschiebbar in dem Zylinder gelagert ist, mit einem Einlass zur Zuführung des Kunststoffmaterials in den Zylinder, welcher nahe dem rückwärtigen Ende der Schnecke in den Zylinder führt, mit einer Einrichtung, mittels deren gewährleistet ist, dass Kunststoffmaterial durch den Zylinder aus der Austrittsdüse hinaus zumindest hauptsächlich durch die Drehung der Schnecke gefördert werden kann, mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der axialen Stellung der Schnecke in dem Zylinder während der Drehung, wobei die Austrittsdüse einen gegen die Austrittsöffnung der Düse sich konisch verjüngenden inneren Durchgang aufweist und die Schnecke an ihrem auf der Seite der Austrittsdüse gelegenen Ende eine konische Spitze aufweist, die eng an die Gestalt des inneren Durchgangs der Austrittsdüse angepasst ist, und mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der axialen Stellung der Schnecke, die eine Fühlereinrichtung zur Bestimmung der axialen Stellung der Schnecke in dem Zylinder umfasst und mittels deren die Schnecke axial in Abhängigkeit von einer festgestellten Abweichung der tatsächlichen Stellung der Schnecke von ihrer erwünschten Stellung derart axial verstellbar ist, dass eine Übereinstimmung zwischen der tatsächlichen Stellung der Schnecke und ihrer gewünschten Stellung aufrechterhalten werden kann, wobei die Steuereinrichtung eine erste Einrichtung, die die axiale Stellung der Schnecke in Abhängigkeit von einer Abweichung der durch die Fühlereinrichtung ermittelten Stellung der Schneck von einer durch ein dem Eingang der Einrichtung aufgegebenes Signal dargestellten Soll-Stellung derart steuert, dass die Übereinstimmung zwischen der ermittelten und der Soll-Stellung aufrechterhalten wird, sowie eine Einrichtung zur Lieferung eines derartigen Signals an den Eingang der Einrichtung umfasst.
Die US 5 312 224 A beschreibt eine konisch geformte Viskositätspumpe mit einer logarithmischen Spirale.
Die US 5 764 521 A beschreibt eine additive Fertigungsvorrichtung mit einer konisch geformten Viskositätspumpe und einer Sensorbaugruppe zur Erfassung einer Fließrate.
Eine Viskositätspumpe kann in einen Extruder des additiven Herstellungssystems integriert werden, um ein fließfähiges Material zu einem Extrusionsauslass zu pumpen. Während jedoch Viskositätspumpen zuvor mit verschiedenen Extrudertypen eingesetzt wurden, sind Viskositätspumpen anfällig für Verstopfung am Extrusionsauslass, was unerwünschte Variationen der Fließrate des extrudierten Materials verursachen kann, was zu einer Minderung der Qualität des gedruckten Teils führt. Die Viskositätspumpe neigt dazu, selbst nach Stoppen des Drehens eines Laufrads Restmaterial aus dem Extrusionsauslass der Pumpe auszuscheiden, was ebenfalls zu einer Minderung der Qualität des gedruckten Teils führen kann. Früheren offenbarten Viskositätspumpen fehlt auch die Fähigkeit, die Fließrate des Materials genau zu regeln. Wenigstens für die oben erwähnten Probleme lässt sich die Fließrate des extrudierbaren Materials mit einer typischen Viskositätspumpe nur schwer regeln, besonders dann, wenn das Material eine niedrige Viskosität hat.
Wenn das fließfähige Material eine Legierung auf Flüssigmetallbasis ist, dann kann die Legierung auf Metallbasis auch eine Ansammlung von Material, einschließlich unerwünschtem Schlackematerial, am Extrusionsauslass der Viskositätspumpe verursachen, was zu einem teilweisen Verstopfen des Auslasses führt. Das Ansammeln von Schlacke am Pumpenauslass hat auch einen negativen Einfluss auf die Fließrate des Materials und die Fähigkeit, die Fließrate des extrudierten Materials zu regeln, besonders dann, wenn das Material in einem additiven Herstellungssystem benutzt wird.
Additive Herstellungssysteme werden zum Drucken oder anderweitigen Aufbauen von 3D-Teilen von digitalen Darstellungen der 3D-Teile (z.B. Dateien im STL-Format) mit einer oder mehreren additiven Herstellungstechniken benutzt. Beispiele für kommerziell verfügbare additive Herstellungstechniken sind Techniken auf Extrusionsbasis, Düsenstrahlen, selektives Lasersintern, Hochgeschwindigkeitssintern, Pulver/Bindemittel-Düsenstrahlen, Elektronenstrahlschmelzen und stereolithografische Prozesse. Für jede dieser Techniken wird die digitale Darstellung des 3D-Teils zunächst in mehrere horizontale Scheibenschichten geschnitten. Für jede Scheibenschicht wird dann ein Werkzeugpfad erzeugt, der Befehle für das jeweilige additive Herstellungssystem zum Drucken der gegebenen Schicht bereitstellt.
Zum Beispiel kann in einem extrusionsbasierten additiven Herstellungssystem ein 3D-Teil von einer digitalen Darstellung des 3D-Teils Schicht für Schicht durch Extrudieren eines fließfähigen Teilematerials gedruckt werden. Das Teilematerial wird durch eine Extrusionsspitze oder -düse extrudiert, die von einem Druckkopf des Systems getragen wird, und wird als eine Folge von Strecken auf ein Substrat in einer Bauebene abgesetzt, wobei die Bauebene typischerweise eine x-y-Ebene ist. Das extrudierte Teilematerial fusioniert mit zuvor abgesetztem Teilematerial und erstarrt mit sinkender Temperatur. Die Position des Druckkopfs relativ zum Substrat wird dann entlang einer Achse lotrecht zur Bauebene, typischerweise der z-Achse, inkrementiert und der Prozess wird dann wiederholt, um ein 3D-Teil zu bilden, das der digitalen Darstellung ähnelt.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Viskositätspumpenbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Drucken eines 3D-Teils mit einem additiven Herstellungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 zur Verfügung.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Viskositätspumpenbaugruppe für den Einsatz in einem additiven Herstellungssystem und beinhaltet eine Viskositätspumpe mit einer Pumpenkammer, die zum Aufnehmen von Verbrauchsmaterial von einem Einlass konfiguriert ist, wobei die Pumpenkammer einen Auslass hat, der zum Extrudieren des Verbrauchsmaterials davon konfiguriert ist. Ein Laufrad erstreckt sich in das Gehäuse und hat eine Drehachse, wobei das Laufrad zum Bereitstellen einer Drehkraft zum Pumpen des Verbrauchsmaterials durch das Auslassende und zum Bewegen parallel zur Drehachse konfiguriert ist. Ein Laufradaktuator ist mit dem Laufrad gekoppelt und zum Bewegen des Laufrads parallel zur Drehachse konfiguriert. Eine wenigstens teilweise im Gehäuse positionierte Sensorbaugruppe ist zum Erfassen eines Spiegels des Verbrauchsmaterials in der Pumpenkammer konfiguriert. Eine Steuerung ist zum Empfangen eines Signals von der Sensorbaugruppe in Bezug auf den Spiegel des Verbrauchsmaterials in der Pumpenkammer konfiguriert, der mit einem Verbrauchsmaterialvolumen in dem Gehäuse bezogen und mit einem volumetrischen Fließratensollwert verglichen werden kann, wobei die Steuerung zum Senden eines Signals zum Laufradaktuator zum Bewegen des Laufrades parallel zur Drehachse konfiguriert ist, um die volumetrische Fließrate relativ zum volumetrischen Fließratensollwert zu justieren.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen Mechanismus zum Erfassen eines Materialspiegels in der Pumpenkammer. Ein Sensor befindet sich nahe oder in einer oberen Region der Pumpenkammer zum Überwachen des sich ändernden Spiegels an extrudierbarem Material in der Pumpenkammer. Ein Beispiel für einen geeigneten Sensor ist, aber ohne darauf begrenzt zu sein, ein kapazitiver Sensor. Der kapazitive Sensor ist zum Messen der Kapazität zwischen einem Oberflächenspiegel des extrudierbaren Materials in der Pumpenkammer und einer nahe oder in der oberen Region der Pumpenkammer positionierten Elektrode konfiguriert. Die Kapazitätsänderungen können mit dem Kapazitätssensor erfasst werden, wobei der Sensor ein Signal bereitstellt, das mit einer Steuerung in Kommunikation ist. Kapazitätsänderungen entsprechen einer Änderung des Oberflächenspiegels von extrudierbarem Material in der Pumpenkammer.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft das weitere Regeln des Materialspiegels in der Pumpenkammer. Eine Anfangsphasenheizkammer ist zum Aufnehmen eines Rohmaterials konfiguriert. Die Heizkammer ist zum Erhitzen des Materials auf eine erhöhte Temperatur konfiguriert, so dass das Material schmilzt. Ein Fließkanal, der die Pumpenkammer und die Heizkammer verbindet, erlaubt das Fließen des erhitzten Materials aus der Heizkammer in die Pumpenkammer. Ein Ventil befindet sich im Fließkanal und ist zum Bewegen zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position konfiguriert, um den Fluss des geschmolzenen Materials von der Heizkammer zur Pumpenkammer zuzulassen oder zu verhindern. Die Betätigung des Ventils basiert auf wenigstens einem Signal in Kommunikation mit der Steuerung. Das Signal kann beispielsweise von einem Materialspiegelsensor in der Heizkammer, einem Materialspiegelsensor in der Pumpenkammer, einem Laufradpositionssensor oder einer Kombination davon empfangen werden, um die Pumpenkammer automatisch mit Material zum Extrudieren aufzufüllen.
Noch ein anderer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft das Regeln der Extrusionsrate eines Materials aus der Pumpenkammer. Das Material kann zum Aufbauen eines dreidimensionalen (3D) Teils Schicht für Schicht extrudiert werden. Das Pumpensystem ist mit einem oder mehreren Sensoren konfiguriert. Die Pumpenkammer kann mit einem Materialspiegelsensor (z.B. einem Oberflächenspiegelsensor) und einem Temperatursensor konfiguriert sein. Ein drehbares und axial positionierbares Laufrad erstreckt sich in die Pumpenkammer und ist ferner mit einem Positionssensor zum Erfassen der axialen Position des Laufrads konfiguriert. Eine mit der Pumpenkammer fluidisch verbundene Heizkammer kann einen Materialspiegelsensor und/oder einen Temperatursensor beinhalten. Ein oder mehrere Signale können zu einer Steuerung von einem oder mehreren der Sensoren im Pumpensystem gesendet werden. Die Signale dienen zum Regeln der Fließrate des Materials zur Extrusion, da die Steuerung auch konfiguriert ist zum Einstellen oder Ändern der axialen Position des Laufrades; zum Drehen eines in der Fluidverbindung der Heizkammer und der Pumpenkammer positionierten Ventils zum Steuern des Flusses von Material; und zum Steuern von Drehzahl und -richtung des Laufrades.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Frontansicht eines Viskositätspumpensystems der vorliegenden Offenbarung mit einer Pumpenkammer und einer Heizkammer, die zur leichten Illustration von internen Komponenten transparent dargestellt sind;
2 ist eine Querschnittsfrontansicht des Viskositätspumpensystems.
3 ist eine Perspektivansicht der Laufrad- und Wellenkomponente des Viskositätspumpensystems.
4 ist eine schematische Ansicht einer Antriebsbaugruppe des Viskositätspumpensystems.
5A ist eine Frontquerschnittsansicht des Gehäuses des Viskositätspumpensystems, die ein Laufrad in einer axial verlängerten Position illustriert.
5B ist eine Frontquerschnittsansicht des Gehäuses des Viskositätspumpensystems, die das Laufrad in einer axial zurückgezogenen Position illustriert.
5C ist eine Frontquerschnittsansicht des Gehäuses des Viskositätspumpensystems gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung.
6 ist eine Schnittansicht eines kapazitiven Sensors des Viskositätspumpensystems.
7 ist ein Blockdiagramm eines additiven Herstellungssystems gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung.
8 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben des Pumpensystems illustriert.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Eine Viskositätspumpenbaugruppe 10 zur Verwendung in einem additiven Herstellungssystem ist in den 1-2 illustriert. Die Pumpenbaugruppe 10 der vorliegenden Offenbarung beinhaltet eine Viskositätspumpe mit einer Pumpenkammer mit einer internen, konisch geformten Oberfläche, die zu einem Extrudatauslass führt. Die Viskositätspumpe beinhaltet ein Laufrad mit einer durch die Pumpenkammer verlaufenden Welle und einer Laufradspitze an einem distalen Ende der Welle, wobei sich das distale Ende in der Nähe des Extrudatauslasses befindet. Das Laufrad ist um eine Drehachse drehbar und kann axial parallel zur Drehachse positioniert werden. Die Pumpenbaugruppe umfasst ferner einen ersten Spiegelsensor, der zum Erfassen eines Spiegels von extrudierbarem Material in der Pumpenkammer konfiguriert ist. Zusätzliche Sensorbaugruppen können in die Pumpenbaugruppe integriert und zum Regeln einer Extrusionsrate von Material von der Pumpenkammer konfiguriert werden. Die zusätzlichen Sensorbaugruppen können beispielsweise Folgendes umfassen: einen Z-Positionssensor, der zum Erfassen der axialen Position des Laufrads und daher einer Position der Laufradspitze in der Pumpenkammer konfiguriert ist; einen Sensor, der zum Erfassen eines Materialspiegels in einer Heizkammer konfiguriert ist, die mit der Pumpenkammer in Fluidfließkommunikation ist; und einen oder mehrere Temperatursensoren zum Erfassen einer Temperatur des Baumaterials in der Pumpenkammer bzw. der Heizkammer. Zusätzlich kann die Pumpenbaugruppe eine Leistungsquelle wie einen Antriebsmotor für einen Antriebsmechanismus umfassen, der zum Antreiben des Laufrads mit einer justierbaren Drehzahl und in einer gewählten Drehrichtung des Laufrads konfiguriert ist. Der Antriebsmechanismus und die Leistungsquelle können von einer Steuerung gesteuert werden. Die Sensorbaugruppen sind mit der Steuerung in Kommunikation und geben Informationen zum Erfassen, Regeln und Justieren von Extrusionsraten von Material von der Pumpenbaugruppe.
Die Viskositätspumpenbaugruppe 10 beinhaltet eine Viskositätspumpe 12 mit einem Laufrad 14, wobei das Innere der Viskositätspumpe 12 eine Pumpenkammer 26 definiert, und eine Antriebsbaugruppe 16. Die Pumpenkammer 26 umfasst eine Kammerwand 9 mit einer Innenfläche 11. Die Viskositätspumpe 12 ist zum Aufnehmen eines Vorrats an fließfähigem Material zur Extrusion konfiguriert. Das Laufrad 14 kann axial in der Pumpenkammer 26 positioniert und gedreht werden, um zu bewirken, dass das fließfähige Material von der Viskositätspumpe 12 extrudiert wird. Eine Antriebsbaugruppe 16 ist mit dem Laufrad 14 gekoppelt und zum Drehen des Laufrads 14 im oder gegen den Uhrzeigersinn in der Viskositätspumpe 12 konfiguriert, um das fließfähige Material mit positivem bzw. negativem Druck zu beaufschlagen. Das Laufrad 14 dreht in der gewählten Drehrichtung zum Steuern des Flusses des Materials an einem Auslass 24 und hilft beim Starten und Stoppen der Extrusion von Material durch den Auslass 24.
Die Viskositätspumpenbaugruppe 10 beinhaltet in einer Ausgestaltung eine Anfangsphasenheizkammer 18, die zum Aufnehmen und Erhitzen oder Vorerhitzen eines Materialvorrats konfiguriert ist. Das Material wird in der Anfangsphasenheizkammer 18 auf eine erhöhte Temperatur erhitzt, so dass das Material schmilzt und auf der erhöhten Temperatur gehalten wird. Die Anfangsphasenheizkammer 18 ist zum Zuführen des geschmolzenen Materials zu der Viskositätspumpe 12 durch einen Fließkanal konfiguriert.
In der in den 1 und 2 illustrierten Ausgestaltung sind die Komponenten der Pumpenbaugruppe 10 in eine Basisplatte 20 integriert und/oder werden auf dieser oder durch diese getragen. Die Basisplatte 20 kann von einer monolithischen Konstruktion sein, aus einem einzigen Materialstück gebildet oder herausgearbeitet, mit Öffnungen und Anschlüssen, die den Pumpenbaugruppenkomponenten wie nachfolgend in der vorliegenden Offenbarung ausführlicher erörtert entsprechen. Die Basisplatte 20 ist typischerweise aus Edelstahl konstruiert, aber es sind auch andere Konstruktionsmaterialien denkbar, die erhöhte Verarbeitungstemperaturen aushalten können. Eine Basisplatte 20, die aus mehreren Teilen und/oder Materialien gefertigt ist, wird ebenfalls erwogen.
Die Basisplatte 20 ist so konfiguriert, dass die Pumpenbaugruppe 10 in verschiedene Systeme montiert werden kann, in denen eine Viskositätspumpe benutzt werden kann. Beispiele sind, aber ohne darauf beschränkt zu sein, die Verwendung eines extrusionsbasierten additiven Herstellungssystems, bei dem ein 3D-Teil Schicht für Schicht hergestellt wird, wobei jede Schicht durch Extrudieren von Materialkügelchen in einem die Baugruppe 10 nutzenden Rastermuster gebildet wird.
Die Viskositätspumpe 12 definiert die Pumpenkammer 26 und hat einen Einlass 70 in der Nähe eines oberen Endes 21, der in Fluidfließverbindung mit der Anfangsphasenheizkammer 18 steht, und einen Auslass 24 in der Nähe eines unteren Endes 23. Die Pumpenkammer 26 ist in einer Ausgestaltung im Wesentlichen konisch geformt und hat eine konisch geformte Innenfläche, die zwischen dem oberen Ende 21 und dem unteren Ende 23 verläuft, wobei sich der Auslass 24 im unteren Ende 23 befindet. Die konische Fläche hat einen größeren Querschnittsbereich am oberen Ende 21 und einen kleineren Querschnittsbereich an einem unteren Ende 23. Der Auslass 24 beinhaltet eine Austrittsöffnung 28, die zum Beispiel eine im Auslass 24 positionierte Extrusionsspitze beinhalten kann. Die Austrittsöffnung 28 kann ebenfalls einstückig in den Auslass 24 der Pumpenkammer 26 integriert sein. In weiteren alternativen Ausgestaltungen kann die Austrittsöffnung 28 einen Einsatz oder ein geschraubtes, austauschbares Teil umfassen, das zum Positionieren im Auslass 24 konfiguriert ist.
Die Pumpenkammer 26 ist zum Aufnehmen eines Vorrats von erhitztem Material von der Anfangsphasenheizkammer 18 konfiguriert. Die Pumpenkammer 26 kann ebenfalls erhitzt werden und zum Halten des erhitzten Materials auf einer gewählten Temperatur konfiguriert sein, so dass das erhitzte Material in einem extrudierbaren Zustand gehalten wird. Die Pumpenkammer 26 ist in einer Ausgestaltung in Wärmekontakt mit einem Heizelement 27. Ein entsprechender Temperatursensor 29 ist in einer Ausgestaltung zum Erfassen der Temperatur des flüssigen Materials in der Pumpenkammer 26 konfiguriert. Das Heizelement 27 kann eine beliebige Heizungskonfiguration umfassen, für die Beispiele, aber ohne darauf begrenzt zu sein, einen Heizmantel oder andere elektrische Widerstandsheizungen in Wärmekontakt mit der Pumpenkammer 26 beinhalten können.
Die Anfangsphasenheizkammer 18 hat einen Einlass 19, der zum Aufnehmen von Rohmaterial darin konfiguriert ist. Ein Beispiel für einen Einlass 19 ist eine Apertur in einer Abdeckung 25, in der die Apertur zum Verschließen beim Heizen und Extrudieren konfiguriert ist. Die Apertur kann einen Kanalabschnitt zum Aufnehmen eines Rohmaterialvorrats zum Erhitzen aufnehmen. Andere Einlasskonfigurationen sind, aber ohne darauf begrenzt zu sein, ein Aufnahmebehälter, der zum Eingreifen in eine(n) Zuführungsleitung oder -schlauch konfiguriert ist, und andere Öffnungen können ebenfalls integriert sein, so dass die Anfangsphasenkammer 18 zum Aufnehmen eines Rohmaterialvorrats nach Bedarf konfiguriert ist.
Die Anfangsphasenheizkammer 18 ist in Wärmekontakt mit einem Heizelement 31. Ein entsprechender Temperatursensor 33 ist in einer Ausgestaltung zum Erfassen der Temperatur des Vorratsmaterials in der Heizkammer 18 konfiguriert. Das Heizelement 31 kann eine beliebige Heizungskonfiguration haben, für die Beispiele, aber ohne Begrenzung, ein Heizmantel oder eine elektrische Widerstandsheizung in Wärmekontakt mit der Heizkammer 18 sein können. Das Heizelement 31 ist ferner zum Erhitzen der Heizkammer 18 und somit zum Erhitzen des darin aufgenommenen Materialvorrats auf eine erhöhte Temperatur konfiguriert, so dass der Materialvorrat in einem geschmolzenen Zustand und zum Extrudieren geeignet ist. Die erhöhte Temperatur ist typischerweise eine Temperatur auf oder über einer Liquidustemperatur des Materialvorrats. So sind die Viskositätspumpe 12 und die Anfangsphasenheizkammer 18 zum Aushalten der erhöhten Temperaturen konfiguriert, die zum Halten des Materialvorrats in einem extrudierbaren oder fließfähigen Zustand benötigt werden. In einer Ausgestaltung kann eine Rückkopplungsschleife zum Überwachen und Regulieren der Temperaturen der Anfangsphasenheizkammer 18 und in der Pumpenkammer 26 benutzt werden. Diese Rückkopplungsschleife ist in einer Ausgestaltung Teil einer Steuerung wie der Steuerung 100 (an anderer Stelle hierin beschrieben).
Ein beispielhaftes Laufrad 14 ist in 3 ausführlicher illustriert. Das Laufrad 14 umfasst in einer Ausgestaltung eine im Wesentlichen zylindrische Welle 30 mit einer Laufradspitze 15, die an einem distalen Ende 42 der Welle 30 positioniert ist. Die Laufradspitze 15 kann einstückig im distalen Ende 42 der Welle 30 ausgebildet oder ein an der Welle 30 befestigtes, separates Teil sein. Die Welle 30 hat auch ein proximales Ende 32, das zum Eingreifen in die Antriebsbaugruppe 16 konfiguriert ist.
Mit Bezug auf die 2-4, in einer Ausgestaltung umfasst die Antriebsbaugruppe 16 eine Zahnradbaugruppe 37, die zum Eingreifen in das proximale Ende 31 der Welle 30 und somit das Laufrad 14 um eine Drehachse 41 konfiguriert ist. Die Zahnradbaugruppe 37 beinhaltet ein Antriebskerbzahnrad 38, das zum Beispiel mit einer Abtriebswelle 43 des drehzahlvariablen Elektromotors 44 gekoppelt ist. Das Antriebskerbzahnrad 38 weist eine äußere Kerbverzahnung auf, die mit der Kerbverzahnung in einem Mitläuferzahnrad 39 kämmt, so dass eine Rotation des Antriebskerbzahnrads 38 eine Rotation des Mitläuferkerbzahnrads 39 in der entgegengesetzten Drehrichtung wie durch die Pfeile 51 und 49 angezeigt bewirkt. Das Mitläuferzahnrad 39 weist eine interne Apertur 57 auf, die zum Eingreifen in Kerbzähne 40 um einen Umfang des proximalen Endes 31 des Laufrads 14 konfiguriert ist. Die interne Apertur 57 ist so konfiguriert, dass das proximale Ende 31 der Welle 30 verschiebbar darin gehalten wird.
Der Antriebsmotor 44 kann an der Basisplatte 20 befestigt und operativ mit der Zahnradbaugruppe 37 durch die Abtriebswelle 43 verbunden sein, so dass der Motor 44 die Antriebsbaugruppe 16 antreibt. Eine Leistungsquelle 45 ist in einer Ausgestaltung mit dem Antriebsmotor 44 gekoppelt. Der Motor 44 kann beispielsweise ein drehzahlvariabler Elektromotor sein. Das Laufrad 14 kann somit in Vor- und Rückwärtsrichtung auf der Basis der Drehung des Antriebsmotors 44 gedreht werden und kann negativen oder positiven Druck in der Pumpenkammer 26 über die gewählte Drehrichtung erzeugen. Ein beispielhafter drehzahlvariabler Elektromotor ist ein NEMA-Schrittschaltmotor der Größe 8.
Das Laufrad 14 hat eine konisch geformte Außenfläche in der Nähe des distalen Endes 15, die eine im Wesentlichen komplementäre Konfiguration zur konischen Form der Innenfläche der Pumpenkammer 26 am Auslass 24 hat, um damit kämmen zu können. Die Laufradspitze 15 ist in einer Ausgestaltung mit einer kontinuierlichen spiral- oder schraubenförmigen Nut 34 konfiguriert, die durch einen kontinuierlichen Grat 36 definiert wird, der über wenigstens einen Teil seiner Außenfläche verläuft. Die Nut 34 und der Grat 36 sind in einer Ausgestaltung mit einer logarithmischen Spirale konfiguriert. Die logarithmische Spirale ist als Kurvenlinie etwa analog zur gemeinsamen logarithmischen Kurve konfiguriert. Die logarithmische Kurve schneidet alle ihre Radianten im selben Winkel und die Tangente dieses Winkels ist das Modul des Systems von Logarithmen, die die jeweiligen Spiralen repräsentieren. Eine kontinuierliche Außenfläche 35 des Grats 36 ist auch einer logarithmischen Spirale ähnlich.
Das Laufrad 14 ist so in der Pumpenbaugruppe 10 positioniert, dass es durch eine Apertur 55 in der Basisplatte 20 verläuft, wobei sein distales Ende 15 axial in die Pumpenkammer 26 verläuft. Das proximale Ende 31 der Welle 30 verläuft durch die Apertur 55 in der Basisplatte 20 und greift gleitend in die interne Apertur 57 des Mitläuferzahnrads 39 wie zuvor beschrieben ein. Das Laufrad 14 ist axial parallel zu den Richtungen des Pfeils 49 parallel zur Drehachse 41 positionierbar. Das Laufrad 14 wird axial in der Pumpenkammer 26 bewegt, um die Größe eines Spalts 46 zwischen der Laufradspitze 15 und dem Auslass 24, wie zuletzt in den 5A-5B illustriert, selektiv zu justieren.
Das Justieren der Größe des Spalts 46 erlaubt es, die Extrusionsrate des Materials aus dem Auslass 24 zu regeln. Das Regeln der axialen Position des Laufrads 14 und somit des Spalts 46 erlaubt auch das Regeln der Materialfließrate auf der Basis verschiedener Extrusionsfaktoren, einschließlich, aber ohne darauf begrenzt zu sein, erfasster Materialspiegel im Zeitablauf, die auf eine volumetrische Fließrate, die physikalischen oder chemischen Attribute oder Funktionen des extrudierten Materials, Materialviskositäten, Temperaturen und/oder Überlegungen in Bezug auf das gedruckte Teil korreliert werden können, einschließlich, ob das gedruckte Teil das 3D-Teil, ein Träger, ein Verstrebungsobjekt oder die gewählte Auflösung des gedruckten Teils ist.
Die Laufradspitze 15 kann in einer anderen Ausgestaltung so ausgelegt sein, dass sie als Nadelventil fungiert, so dass die Spitze 15 in ihrer Konfiguration genau komplementär zur Form der Innenfläche der Pumpenkammer 26 in der Nähe des Auslasses 24 ist. Die Laufradspitze 15 verschließt und dichtet die Austrittsöffnung 28 im Wesentlichen ab, wenn das Laufrad axial positioniert ist, so dass es in den Auslass 24 verläuft. In einer alternativen Ausgestaltung kann das Laufrad 14 ferner auch mit einer Endnabe konfiguriert sein, die so konfiguriert ist, dass sie durch den Auslass 24 in die Austrittsöffnung 28 vorsteht, um die Austrittsöffnung 28 zu verschließen. Wenn die Laufradspitze 15 als Nadelventil fungiert, dann kann die Notwendigkeit für eine Endnabe optional entfallen, so dass die Laufradspitze 15 selbst die Austrittsöffnung 28 im Wesentlichen vollständig abdichtet. Die Endnabe kann in einigen Baugruppen nützlich sein, zum Beispiel in Baugruppen, in denen das Laufrad 14 mit tieferen Nuten und Graten konfiguriert ist, oder wo es einen geringen Raum zwischen der Innenfläche der Pumpenkammer 26 und der Außenfläche des Laufrads 14 gibt.
Eine Schwingspule 47 wird in einer Ausgestaltung zum Justieren der axialen Position des Laufrads 14 benutzt. Ein Schwingspulenmagnet 48 ist an einer Oberseite der Basisplatte 20 befestigt. Eine Schwingspulenbobine 50 ist fest am proximalen Ende 31 des Laufrads 14 angebracht, das in einer Ausgestaltung durch die Unterseite der Basisplatte 20 verläuft. Der Schwingspulenmagnet 48 interagiert mit der Schwingspulenbobine 50, die die bewegliche Spulenhälfte der Schwingspule 47 ist. Die Bewegung der Bobine 50 bewegt daher das Laufrad 14 axial in den Richtungen des Pfeils 49, wenn die Schwingspule 47 von einem Antriebsmechanismus angetrieben wird. In einer Ausgestaltung wird ein Regelkreis zum Positionieren des Laufrads 14 in einer bekannten Z-Position mit einer bekannten Federkonstante benutzt. Es ist zwar hierin eine Schwingspule 47 illustriert und beschrieben, aber es liegen auch andere Aktuatoren im Rahmen der vorliegenden Offenbarung.
Ein Radiallager 54 ist ferner in der Apertur 55 in der Basisplatte 20 positioniert. Das Radiallager 54 hält die Ausrichtung des Laufrads 15 parallel zur Drehachse 41 und lässt es dabei zu, dass sich das Laufrad 15 im Wesentlichen frei um die Drehachse 41 dreht und sich parallel dazu bewegt. Die Pumpenbaugruppe 10 ist ferner mit einer Z-Positionssensorbaugruppe 120 konfiguriert, die zum Erfassen der axialen Position des Laufrads 14 konfiguriert ist, und kann beispielsweise mit der Schwingspulenmagnetbaugruppe 48 montiert oder anderweitig in der Pumpenkammer 26 positioniert sein. Der Sensor 120 ist auch mit einer Steuerung 100 in Verbindung und zum Übermitteln eines Signals auf der Basis der axialen Position des Laufrads 14 konfiguriert, das sich auch auf die Größe des Spalts 46 bezieht. Beispiele für den Z-Positionssensor 120 sind, aber ohne darauf begrenzt zu sein, ein linearvariabler Wegaufnehmer („LVDT“-Sensor), der zum Erfassen der axialen Position des Laufrads 14 durch die Schwingspule 47 konfiguriert ist.
Wie in den 5A-5B illustriert, ist die Position des Laufrads 14 in der Pumpenkammer 26 axial justierbar. Das Laufrad 14 ist zwischen einer ausgefahrenen Position 56 (in 4A illustriert) und einer eingefahrenen Position 58 (in 4B illustriert) sowie zwischen Positionen zwischen der ausgefahrenen und der eingefahrenen Position beweglich. Das Laufrad 14 kann in die Pumpenkammer 26 abgesenkt werden, um die Größe des Spalts 46 zwischen dem Laufrad 14 und dem Auslass 24 zu reduzieren und somit den durch die Laufradumdrehung extrudierten Betrag zu verändern. Durch das im Wesentlichen Eliminieren des Spalts 46 durch Ausfahren der Laufradspitze 15 in den Auslass 24 kann bewirkt werden, dass das Laufrad 14 die Austrittsöffnung 28 im Wesentlichen oder vollständig abdichtet. In der völlig ausgefahrenen Position kann das Laufrad 14 auch zum mechanischen Freimachen der Austrittsöffnung (28) dienen, indem evtl. angesammeltes extrudierbares Material, das abgekühlt ist und sich nahe oder in der Austrittsöffnung 28 angesammelt hat, aus der Austrittsöffnung 28 hinaus gezwungen wird. In der in 4A illustrierten ausgefahrenen Position 56 befindet sich das Laufrad 14 nahe oder in Kontakt mit der Austrittsöffnung 28, und die Seiten des Laufrads 14 liegen ausreichend nahe oder in Kontakt mit der Innenfläche des Auslasses 24, so dass eine Extrusion verhindert wird.
In der eingefahrenen Position 58 des Laufrads 14 ist der Auslass 24 geöffnet und der Spalt 46 vergrößert und somit die Extrudatfließrate erhöht. In einer Ausgestaltung wird die Position des Laufrads 14 axial justiert, um das distale Ende 15 an verschiedenen Sollpunkten zu positionieren, um die Größe des Spalts 46 zwischen dem Auslass 24 und dem Laufrad 14 zu verändern. Das Verändern der Größe des Spalts 46 ändert die Fließrate des durch den Auslass 24 und die Austrittsöffnung 28 extrudierten erhitzten Materials in der Pumpenkammer 26, so dass sie mit einem Extrusionsratensollwert im Wesentlichen übereinstimmt. Die Größe des Spalts 46 kann teilweise auf der Basis von Materialviskosität, Temperatur oder anderen Extrusionsparametern gewählt werden. Der Spaltenabstand 46 wird selektiv geregelt und kann nach Bedarf (z.B. bei der Extrusion oder unmittelbar vor oder nach einer Extrusionspause) zum Regeln der Extrusionsrate erhöht und/oder verringert werden. Der Lückenabstand 46 kann vom Sensor 120 erfasst und demgemäß mit Bezug auf den Zustand des extrudierbaren Materials, der gewählten Fließrate, der erfassten volumetrischen Fließrate, Temperaturänderungen und/oder Verschleiß der Pumpenkomponenten auf der Basis der axialen Position des Laufrads gemäß Ermittlung durch den Z-Positionssensor 120 justiert werden.
In einer anderen, in 5C illustrierten Ausgestaltung ist eine zweite Bobine 130 mit Wicklungen 131 darum in der Pumpenkammer 26 vorgesehen, so dass das Laufrad 14 durch die Bobine 130 passiert. Eine metallische Platte 132 wie zum Beispiel eine Eisenplatte ist über der Bobine 130 und auch um das Laufrad 14 positioniert. Ein von den Spulen 131 der Bobine 132 erzeugtes Magnetfeld erzeugt einen Magnetkreis, der das Laufrad 14, die Platte 132 und die Wand 9 der Pumpe 12 umfasst. Magnetfeldlinien 134 der von den Spulen 131 der Bobine 130 erzeugten Magnetkreise sind in 5C als gestrichelte Linien dargestellt. Die Region 136 von Legierung in der Nähe der Schraube des Laufrads 14, das sich in unmittelbarer Nähe zur Innenfläche 11 der Wand 9 der Pumpe 12 befindet, hat induzierte Wirbelströme, was die effektive Viskosität der Legierung in dem Spalt zwischen dem Laufrad 14 und der Wand 9 der Pumpe 12 erhöht. Die erhöhte Viskosität verbessert das Pumpen der Pumpe 12. Die Bobine 130 und die Platte 132 sind auf herkömmliche Weise in der Pumpenkammer 26 montiert.
Mit Bezug auf die 1-2 beinhaltet in einer Ausgestaltung die Anfangsphasenheizkammer 18 eine Kammer, die zum Aufnehmen eines Rohmaterials konfiguriert ist, das in einem festen Zustand sein und eine beliebige Konfiguration haben kann. Die Anfangsphasenheizkammer 18 ist zum Erhitzen des Materialvorrats auf eine erhöhte Temperatur konfiguriert, so dass das Material schmilzt oder anderweitig in einen fließbaren Zustand zum Extrudieren erhitzt wird. In einer anderen Ausgestaltung kann das Rohmaterial in der Anfangsphasenheizkammer 18 in einem geschmolzenen Zustand aufgenommen werden, in dem die Anfangsphasenheizkammer 18 zum Halten des Rohmaterials im geschmolzenen Zustand konfiguriert ist. Die Anfangsphasenheizkammer 18 umfasst in einer Ausgestaltung eine Innenregion 66, ein oder mehrere Heizelemente 31, konfiguriert zum Bereitstellen eines gewählten Wärmeprofils für die Heizkammer 18, und einen Sensor 33 zum Überwachen der Temperatur des Materials, die alle mit der Steuerung 100 in Kommunikation sind.
Die Anfangsphasenheizkammer 18 hat einen Auslass 68, der in der Nähe eines unteren Teils der Anfangsphasenheizkammer 18 positioniert ist. Die Anfangsphasenheizkammer 18 ist mit einem Kanal 72 mit dem in der Nähe des oberen Endes 21 der Pumpenkammer 26 positionierten Einlass 70 in Fluidverbindung. In einer Ausgestaltung ist die Pumpenbaugruppe 10 so an der Basisplatte 20 angeordnet und befestigt, dass die Heizkammer 18 im Wesentlichen in einer Höhe über der Pumpenkammer 26 positioniert ist. Der Auslass 68 der Anfangsphasenheizkammer 18 ist somit vorzugsweise in der Nähe des Bodens der Heizkammer 18 positioniert. Diese Positionierung reduziert das Volumen von Totflussregionen, wie am Boden der Heizkammer 18, um ein zum Austauschen der in der Heizkammer 18 erhitzten Materialien benötigtes Spülvolumen zu reduzieren. Ferner trägt, da Schlacke und Oxide dazu neigen, sich am oberen Ende des geschmolzenen Materials in der Anfangsphasenheizkammer 18 anzusammeln, eine Positionierung des Auslasses 68 tiefer in der Anfangsphasenheizkammer 18 zum Verhindern der Übertragung von Schlacke in die Pumpenkammer 26 bei. Schlacke und Oxide können abgeschöpft oder abkühlen gelassen und aus der Anfangsphasenheizkammer 18 herausgearbeitet werden, oder die Kammer 18 kann gelegentlich ersetzt werden.
Die Anfangsphasenheizkammer 18 hat einen Mindestfüllstand, der in einer Ausgestaltung wenigstens an oder vorzugsweise über dem Auslass 68 ist. Der Auslass 68 ist im Wesentlichen in derselben Höhe wie der Einlass 70 der Pumpenkammer 26 positioniert, so dass die Innenregion 66 der Anfangsphasenheizkammer 18 und das Volumen des vorerhitzten Materials allgemein über dem Einlass 70 der Pumpenkammer 26 gehalten werden. Diese Anordnung lässt es auch zu, dass Kopfdruck in der Heizkammer 18 und Schwerkraft genutzt werden, um den Fluss von erhitztem Material von der Anfangsphasenheizkammer 18 zur Pumpenkammer 26 zu bewirken.
Hochviskositätsextrudate können nicht einfach schwerkraftbedingt von der Heizkammer 18 zur Pumpenkammer 26 fließen. In solchen Situationen kann Druck auf das Material aufgebracht werden und/oder die Größe des Fließkanals 72 zwischen der Heizkammer 18 und der Pumpenkammer 26 kann erhöht werden, um die Übertragung von Extrudat von der Heizkammer 18 zur Pumpenkammer 26 zu unterstützen. In einer Ausgestaltung wird der Fluss mit einem Steuerventil gesteuert, wie nachfolgend ausführlicher erörtert wird. Der Einlass 70 befindet sich vorzugsweise in der Nähe des oberen Endes 21 der Pumpenkammer 26, um ein Füllen der Kammer 26 mit extrudierbarem Material zuzulassen, damit Material darin ohne Rückstau fließen kann.
Der Fluss durch den Fließkanal 72 wird in einer Ausgestaltung durch eine Ventilbaugruppe 74 gesteuert. Die Ventilbaugruppe 74 beinhaltet in einer Ausgestaltung ein Ventil 75, das für eine Bewegung zwischen der offenen und der geschlossenen Position konfiguriert ist, um Materialfluss zuzulassen bzw. zu verhindern. Die Ventilbaugruppe 74 kann beispielsweise ein um eine Vierteldrehung drehendes Ventil 75 umfassen. Das Ventil 75 ist entweder in der Nähe des Auslasses 68 oder an einer Stelle innerhalb des Fließkanals 72 positioniert. Das Ventil 75 ist zwischen einer ersten, offenen Position, in der das erhitzte Material in der Anfangsphasenheizkammer 18 in die Pumpenkammer 26 über den Einlass 70 fließen kann, und einer zweiten, geschlossenen Position, die den Fluss des erhitzten Materials von der Heizkammer 18 zur Pumpenkammer 26 stoppt oder pausiert, beweglich. In einer Ausgestaltung ist ein Ventilaktuator 73 vorgesehen und zum Drehen des Ventils 75 als Reaktion auf ein von der Steuerung 100 empfangenes Signal, als Reaktion auf entweder einen erfassten Füllstand der Pumpenkammer 26 oder einen Füllstand der Heizkammer 18 konfiguriert.
Die Steuerung 100 kann eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis in einer verdrahteten oder drahtlosen Verbindung mit der Pumpenbaugruppe 10 und ihren Komponenten sein. Verschiedene Sensorbaugruppen können in die Pumpenbaugruppe 10 integriert sein. Beispiele für Sensoren sind, aber ohne darauf begrenzt zu sein, ein in die Pumpenkammer 26 integrierter Positionssensor 120 zum Überwachen der Z-Position des Laufrads 14; eine Sensorbaugruppe, die in die Heizkammer 18 integriert und zum Überwachen des Spiegels an vorerhitztem Material in der Heizkammer 18 konfiguriert ist, und eine Sensorbaugruppe, die zum Überwachen des Spiegels an extrudierbarem Material in der Pumpenkammer 26 konfiguriert ist. Ferner kann die Steuerung 100 zum Kalibrieren der Sensorbaugruppen zum Kompensieren einer Messwertänderung in Verbindung mit der Hin- und Herbewegung der Axialbewegung des Laufrads 14 konfiguriert sein.
In einer Ausgestaltung der Pumpenbaugruppe 10 ist eine zum Überwachen des Spiegels von extrudierbarem Material in der Pumpenkammer 26 konfigurierte Sensorbaugruppe 76 in der Pumpenkammer 26 positioniert. In dieser Ausgestaltung umfasst das extrudierbare Material eine Legierung auf Metallbasis. Der Füllstand, oder der Spiegel von extrudierbarem Material, in der Pumpenkammer 26 kann von der Sensorbaugruppe 76 kontinuierlich erfasst und überwacht werden. Die Sensorbaugruppe 76 kann beispielsweise eine kapazitive Sensorbaugruppe umfassen, konfiguriert zum Erfassen des Spiegels der metallbasierten Legierung in der Pumpenkammer 26, während sich der Spiegel aufgrund von Extrusion aus der und/oder Füllen der Pumpenkammer 26 ändert. Metallbasierte Legierungsmaterialien sind im Allgemeinen leitend und so kann eine Kapazität zwischen einem Oberflächenspiegel 77 (siehe 4A) der metallbasierten Legierung und einer leitenden Elektrode 78 erfasst werden. Kapazitätsänderungen können von der kapazitiven Sensorbaugruppe 76 erfasst und zur Steuerung 100 übermittelt werden. Die erfasste Kapazität wird in einer Ausgestaltung mit dem Spiegel 77 von erhitzter metallbasierter Legierung in der Pumpenkammer 26 korreliert. Wenn die Konfiguration der Pumpenkammer 26 bekannt ist, dann kann eine Änderung des Spiegels 77 im Verlauf der Zeit mit einer volumetrischen Extrudatfließrate korreliert werden.
In einer Ausgestaltung kann die Elektrode 78 eine kreisförmige Scheibenbaugruppe sein, die in der Nähe des oberen Endes 21 der Pumpenkammer 26 positioniert ist. Die Elektrode 78 ist mit einer Apertur ausgelegt, so dass die Elektrode 78 um die Welle 30 in der Nähe des oberen Endes 31 des Laufrades 14 positioniert werden kann. Die Elektrode 78 ist entweder an einer Abdeckung 80 für die Pumpenkammer 26 oder an der Basisplatte 20 befestigt, so dass die Elektrode 78 in einer festen Position über dem inneren Hohlraum der Pumpenkammer 26 liegt. Wenn der Oberflächenspiegel 77 des extrudierbaren Materials steigt oder fällt, dann ändert sich jeweils die Kapazität, während sich der Abstand zwischen der Elektrode 78 und dem Oberflächenspiegel 77 des extrudierbaren Materials ändert. Mit der Änderung der Kapazität werden ein oder mehrere Signale zur Steuerung 100 gesendet, die den Spiegel anzeigen, während die erfasste Kapazität mit bekannten Kapazitäten verglichen wird, die mit bekannten Spiegeln korreliert sind.
Schwellenkapazitäten oder ein Bereich von Kapazitäten, die einen niedrigen Füllstand von extrudierbarem Material anzeigen, bewirken, dass die Steuerung 100 ein Signal zum Öffnen des Ventils 75 zum Füllen der Pumpenkammer 26 sendet. Wenn ein ausreichend hoher Füllstand 77 erfasst wird, dann bewirkt die Steuerung 100 ein Schließen des Ventils 75. Materialspiegel 77 zwischen einer im Wesentlichen vollen Pumpenkammer 26 und einer im Wesentlichen leeren Pumpenkammer 26 können ebenfalls anhand von Änderungen der erfassten Kapazitäten bestimmt werden. Die Kapazität kann auch kontinuierlich erfasst werden, so dass jede Änderung des Materialspiegels in der Pumpenkammer 26 in Echtzeit erfasst werden kann, und so kann das Volumen der Pumpenkammer 26 bewusst zum Bestimmen der Extrudatfließrate in Echtzeit bestimmt werden.
Variationen von einer gewählten volumetrischen Fließrate können durch Justieren einer Z-Position des Laufrads 15 oder Manipulieren der Drehzahl durch das Laufrad oder Kombinationen von zwei oder mehr Variablen gesteuert werden. So kann die Extrudatfließrate von der Viskositätspumpenbaugruppe 10 in Echtzeit geregelt werden.
Die Feedback-Regelung der Kapazität bietet verschiedene Vorteile für die Viskositätspumpenbaugruppe 10 der vorliegenden Offenbarung. Die Kapazität wird anhand der folgenden Gleichung bestimmt: $C_{o} = \frac{ε_{o} \in A}{d}$
wobei C_o gemessene Kapazität in Farad ist, ε_ο die Dielektrizitätskonstante eines freien Raums ist, A die Fläche der Elektrode ist und d der Abstand von der Elektrode zur Oberfläche des Materials ist.
Zum Beispiel kann die Elektrode 78 eine Scheibe mit 1,2 Zoll Durchmesser sein, die etwa 0,2 Zoll über einer vorbestimmten Obergrenze einer Oberseite einer Aluminiumlegierung fixiert ist. Die Elektrode 78 ist an der Basisplatte 20 oder alternativ an einer Innenfläche der Pumpenkammer 26 fest gesichert. Das Kalibrieren der Sensorbaugruppe 76 beinhaltet das Bestimmen der relativen Kapazität zwischen der zur Extrusion gewählten metallbasierten Legierung und der Elektrode 78, was anhand der folgenden Gleichung illustriert werden kann: $C_{o} = \frac{ε_{o} \in π {(1,2 i n)}^{2}}{4 (0,2 i n)} ~ 3.3 p F$
Eine Änderung des Spiegels wird von der folgenden Gleichung bestimmt: $d z = \frac{d v}{A}$
wobei dz die Spiegeländerung ist, dv die Volumenänderung ist und A eine Querschnittsfläche eines Gefäßes ist.
Zum Beispiel fällt, wenn der Durchmesser der Heizkammer etwa 0,95 Zoll beträgt und 1 Mikrokubikzoll („mic“) von extrudierbarem Material aus der Heizkammer 18 entfernt und zur Pumpenkammer 26 geleitet wird, der Spiegel der Oberfläche in der Heizkammer 18 um durchschnittlich 36 nm ab, wie durch die folgende Gleichung illustriert wird: $d z = \frac{4 10^{- 6} i n^{2}}{π {(0.95 i n)}^{2}} = 36 n m$
So wird also die Kapazitätsänderung, wenn 1 mic entfernt wird, durch die folgende Gleichung illustriert: $C_{o} (\frac{36 n m}{0.2 i n}) = 23 a F$
wobei ein aF (atto Farad) 10^-18 Farad ist. Die Änderung kann auf der Basis der gemessenen aF gemessen werden, was beispielsweise anhand einer Vorrichtung wie einem AD7746 Chip, hergestellt von Analog Devices, Inc. in Norwood, MA, feststellbar ist. Der AD7746-Chip kann 4aF Änderungen in einer Bandbreite von 11 Hz ablesen. Der Geräuschboden nimmt grob als die Quadratwurzel der Bandbreite zu, so dass die Volumenänderung von 1 mic in einer Bandbreite von $11 Hz {(\frac{23 aF}{4 aF})}^{2} = 360 Hz$
nachweisbar ist. So kann der Materialspiegel bei Anwendung auf die Elektrode und den Füllstand in der Pumpkammer 26 in Echtzeit überwacht werden. Obwohl die hierin gegebenen Gleichungen für eine zylindrische Geometrie für die Anfangsphasenheizkammer 18gelten, kann dieselbe Analyse mit der Geometrie einer Rechtskegelkonfiguration benutzt werden, bei der die auf einen rechten Kegel bezogenen Variablen analysiert werden.
Die Elektrode 78 kann auch „schwappresistent“ konfiguriert werden. Erhitzte metallbasierte Legierungen haben im Allgemeinen eine niedrige Viskosität und führen zu „wässrigen“ extrudierbaren Materialien. Die erhitzten metallbasierten extrudierbaren Legierungsmaterialen könnten schwappen oder beim Füllen und bei lateralem Beschleunigen und Verlangsamen der Pumpkammer 26, wie dies beim Drucken einer Schicht in einem Rastermuster der Fall ist, in die Pumpkammer 26 spritzen. Diese Störung des extrudierbaren Materials in der Pumpkammer 26 kann durch Bewegen eines im Aufbau befindlichen Teils reduziert werden, anstatt die Pumpenbaugruppe 10 zu bewegen, zum Beispiel mit einer Pumpenbaugruppe wie einer Baugruppe 10, die in ein additives Herstellungssystem eingebaut ist, wo der gedruckte 3D-Teil während des schichtweisen Aufbauens des Teils in der x-y-Ebene 14 bewegt wird (z.B. der Teil wird beim Bauen über ein Gerüst in der x-y-Ebene bewegt).
Mit Bezug auf 5 kann, in einer anderen Ausgestaltung, zum Reduzieren oder Eliminieren von potentiellem Schwappen eine Elektrode 178 mit mehreren beabstandeten isolierten Erfassungsplatten 180 konfiguriert werden, um die Elektrode 178 vor Kontakt mit dem extrudierbaren Material zu schützen. In einer Ausgestaltung werden die Platten 180 mit einer Isolierschicht 182 bedeckt und verlaufen im Wesentlichen lotrecht zu einem Elektrodenkörper 179 und in das geschmolzene Material hinein. In dieser Ausgestaltung dienen die Platten 180 als Leitbleche, um Schwappen des geschmolzenen Materials in der Pumpkammer 26 zu reduzieren. So werden Störungen des Oberflächenspiegels des Extrudats minimiert und haben keinen negativen Einfluss auf die Kapazitätsmessungen, die den Spiegel von geschmolzenem Material in der Pumpenkammer 26 anzeigen.
Zusätzliche Regelkreise werden in anderen Ausgestaltungen in Kombination oder individuell zum Kompensieren von Kapazitätsdaten benutzt, die von der kapazitiven Sensorbaugruppe 76 erfasst werden, verursacht durch eine Änderung des Spiegels des Materials, um die Z-Position des Laufrads 14 mit der Schwingspule 47 zu messen und einzustellen, so dass eine gewünschte Fließrate durch den Extruder 10 mit einer gemessenen Extrusionsrate aus der Pumpenkammer 26 übereinstimmt. Es kann eine High-Level-Regelkreis benutzt werden, die feststellt, wann die Ventilbaugruppe 74 geöffnet werden kann, um die Pumpenkammer 26 aufzufüllen, ohne den Extrusionsfluss zu beeinflussen. Ein transienter Regelkreis kann zum Justieren von Start- und Stoppsequenzen für axiale und rotationale Bewegung des Laufrads 14 benutzt werden, um zum Beispiel die Extrudatfließrate als Reaktion auf die erfasste Kapazität zu regeln. Solche Regelkreise können in einer Ausgestaltung in die Steuerung 100 integriert und von dieser betrieben werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Pumpenbaugruppe 10 wird die Pumpenbaugruppe 10 in ein additives Herstellungssystem zum Drucken von 3D-Teilen und entsprechenden Tragstrukturen eingebaut. Geeignete additive Herstellungssysteme für die hierin beschriebene Viskositätspumpenbaugruppe beinhalten extrusionsbasierte Systeme, wie sie von Stratasys, Inc., Eden Prairie, MN, unter der Handelsmarke „FDM“ entwickelt werden. Das System kann 3D-Teile drucken und Strukturen von dem Teil tragen und Materialien von Verbrauchsbaugruppen mit einer schichtbasierten additiven Herstellungstechnik tragen. Das System kann auch einen Host-Computer und eine Steuerung 100 beinhalten, wobei der Host-Computer vorzugsweise ein computerbasiertes System ist, das mit der Pumpenbaugruppe 10 und dem additiven Herstellungssystem über die Steuerung zusammenwirkt, um Material zum Bauen von 3D-Objekten und entsprechenden Tragstrukturen zu erhitzen und zu extrudieren. Zum Beispiel kann die Steuerung 100 einen oder mehrere Steuerkreise umfassen, die zum Überwachen und Betreiben der Komponenten der Pumpenbaugruppe 10 und des additiven Herstellungssystems konfiguriert sind, einschließlich der Sensorbaugruppen. Geeignete additive Herstellungssysteme beinhalten extrusionsbasierte Systeme, die von Stratasys, Inc., Eden Prairie, MN, unter der Handelsmarke „FDM“ entwickelt werden.
Beim Betrieb ist das Pumpensystem 10 zum Empfangen von einem oder mehreren Signalen von der Steuerung 100 konfiguriert. Ein oder mehrere Signale können zum Pumpensystem 10 auf der Basis von einem oder mehreren Ablese- oder Messwerten von einem beliebigen aus oder einer Kombination aus Laufrad-Z-Positionssensor 120, Temperatursensor 29 (für Pumpenkammer 26) und 33 (für Heizkammer 18), Spiegelsensorbaugruppe 76 (für Pumpenkammer 26) und 122 (für Heizkammer 26) und der Drehzahl des Antriebsmotors 44 wie in der vorliegenden Offenbarung durchweg beschrieben gesendet werden. Die in der vorliegenden Offenbarung durchweg beschriebenen verschiedenen Sensoren können einen beliebigen Typ von Sensor oder Anordnung von Erfassungskomponenten umfassen, so dass verschiedene Sensoren in das Pumpensystem 10 eingebaut werden können, wie zum Erfassen von Position, Spiegel und/oder Temperatur konfiguriert.
6 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung eines additiven Herstellungssystems 150. Das System 150 beinhaltet die Pumpenbaugruppe 10 wie hierin beschrieben sowie eine Steuerung 100, die operativ mit der Pumpenbaugruppe 10 zum Steuern des Betriebs davon gekoppelt ist. Wie hierin beschrieben, kann die Pumpenbaugruppe 10 in einer Ausgestaltung eine Heizkammer 18, eine Pumpenkammer 26 und einen Antriebsmotor 44 umfassen. Die Heizkammer 18 ist zum Schmelzen eines extrudierbaren Materials, zum Zuführen des geschmolzenen Materials von der Heizkammer 18 zur Pumpenkammer 26 durch den Kanal und zum Extrudieren des geschmolzenen Materials aus der Pumpenkammer 26 konfiguriert. In verschiedenen Konfigurationen kommunizieren Sensorbaugruppen wie Temperatur- und Spiegelsensoren, sowie ein Kapazitätssensor (zum Erfassen der Spiegel in der Heizkammer und der Pumpenkammer 26) und Antriebsmotorsteuerungen mit der Steuerung 100, und Betrieb und Ablesung der Sensoren und anderer Komponenten werden durch die Steuerung 100 gesteuert. Während die Steuerung 100 als Teil des additiven Herstellungssystems 150 separat von der Pumpenbaugruppe 10 dargestellt ist, ist zu verstehen, dass die Steuerung 100 auch als Teil der Pumpenbaugruppe 10 konfiguriert sein kann, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen, oder sie kann separat von den physischen Komponenten des additiven Herstellungssystems 150 oder über ein geeignetes Kommunikationsmedium, einschließlich, aber ohne Begrenzung, durch verdrahtete und drahtlose Verbindungen, daran gekoppelt sein.
7 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Regeln einer Extrusionsrate (auch als Fließrate bezeichnet) eines geschmolzenen Materials mit einem Pumpensystem wie dem hierin beschriebenen Pumpensystem 10. Das Verfahren 200 beinhaltet in einer Ausgestaltung das Laden von extrudierbarem Rohmaterial in eine Heizkammer in Block 202, das Bringen des extrudierbaren Materialvorrats auf eine vorbestimmte Temperatur, in einer Ausgestaltung das Schmelzen, in Block 204, das Füllen einer Pumpenkammer mit extrudierbarem Material aus der Heizkammer in Block 206 und das Extrudieren des Materials in Block 208. Vor dem Laden von Rohmaterial in die Heizkammer 18 wird ein Ventil (wie z.B. eine Ventilbaugruppe 74) in einer Passage (wie einem Zufuhrkanal 72) zwischen der Heizkammer 18 und der Pumpenkammer 26 geschlossen. Das Füllen 206 der Pumpenkammer 26 beinhaltet in einer Ausgestaltung das Öffnen des Kanals 72 zwischen der Heizkammer 18 und der Pumpenkammer 26, zum Beispiel mit der Ventilbaugruppe 74, was einen schwerkraftgespeisten Fluss von geschmolzenem Material von der Heizkammer 18 zur Pumpenkammer 26 zulässt. Ein Materialspiegel in der Pumpenkammer 26 wird in einer Ausgestaltung durch einen oder mehrere Sensoren wie einen kapazitiven Sensor 76 überwacht. Das Extrudieren 208 beinhaltet in einer Ausgestaltung das axiale Positionieren des Laufrads 14 und das Drehen eines Laufrads mit einer gewählten Drehzahl (wie das Laufrad 14), um Material durch einen Auslass (wie den Auslass 24) der Pumpenkammer 26 zu extrudieren. Eine Fließrate für die Extrusion wird in einer Ausgestaltung mit der Schwingspule 47 eingestellt, um die axiale Position des Laufrads 14 einzustellen, und die Drehzahl des Laufrads 14 durch den Antriebsmotor 44 wird durch die Steuerung eingestellt. Die Extrusionsrate kann in einer Ausgestaltung auf der Basis von empfangenen Signalen vom kapazitiven Sensor 76 überwacht werden. Die erfasste Kapazität über einen Zeitraum wird mit einer volumetrischen Fließrate korreliert, wenn das Volumen der Pumpenkammer 26 bekannt ist. Die Fließrate wird auf einen Sollwert justiert, ob durch Ändern der Z-Position des Laufrads 14, der Drehzahl des Laufrads 14 oder Kombinationen davon.
Die vom Sensor 29 und/oder 33 erfasste Temperatur zeigt die Viskosität des Extrudats an. Die Änderung der Z-Position und/oder Drehzahl des Laufrads 14 kann ebenfalls manipuliert werden, um Viskositätsänderungen zu berücksichtigen. In einer Ausgestaltung wird die Pumpenkammer nur dann gefüllt, wenn keine Extrusion stattfindet, um eine Beeinflussung der Fließrate zu vermeiden. Die Reihenfolge der Durchführung von Operationen wie in 6 illustriert kann in jeder beliebigen Reihenfolge oder Weise gemäß Bestimmung durch die Steuerung 100 in einer Ausgestaltung vollendet oder wiederholt werden. Ferner können diese Schritte auf der Basis der Interpretation von Signalen vervollständigt werden, die von einem oder mehreren der Sensoren oder Sensorsystemen empfangen werden, die in der gesamten vorliegenden Offenbarung beschrieben sind.
Eine oder mehrere der von der Steuerung 100 durchgeführten Steuerfunktionen können in Hardware, Software, Firmware und/oder dergleichen oder einer Kombination davon implementiert werden. Die Steuerung 100 kann über eine oder mehrere verdrahtete oder drahtlose Kommunikationsleitungen mit den Heizmechanismen, der Laufradantriebsbaugruppe, dem Extrusionskopf, dem Motor und verschiedenen Temperatur- und Füllstandssensoren, Kalibrationsgeräten, Anzeigegeräten und/oder Benutzereingabegeräten kommunizieren, wie zuvor in der vorliegenden Offenbarung beschrieben wurde.
Wie oben erörtert, stellt die Pumpenbaugruppe 10 ein geeignetes Extrusionssystem zur Verwendung als Extrusionskopf in einem geschichteten Herstellungssystem auf Extrusionsbasis wie das System 150 bereit. Beispiele für nützliche Eigenschaften des Pumpensystems 10 beinhalten die Fähigkeit, die Extrusionsspitze abzudichten und mechanisch zu entfernen und Verstopfung der Extrusionsspitze zu verhindern, die Pumpe zu justieren, um Verschleiß an Laufrad und Pumpenkomponenten entgegenzuwirken, schnelle und einheitliche Ansprechzeiten, Echtzeitüberwachung von Extrusionsraten und Zuführungen, Absetzen von viskosen Materialien (z.B. mit nur 10 Poise oder weniger) einschließlich metallbasierten Legierungen mit erhöhter Fließregelung, Reduzierung der Anzahl an austauschbedürftigen Komponenten, wenn Materialien gewechselt werden, und der Menge an benötigtem Spülmaterial, Reduzierung der Rohmaterialkosten, Reduzierung der Pumpenherstellungskosten und Betrieb bei hoher Temperatur zum Pumpen von Hochtemperaturmaterialien (z.B. über 400°C).
Die Viskositätspumpe der vorliegenden Offenbarung wurde zwar mit Bezug auf die in den Figuren gezeigten Ausgestaltungen beschrieben, aber es ist zu verstehen, dass die Pumpe der vorliegenden Offenbarung in vielen alternativen Ausgestaltungen ausgestaltet werden kann, und die Pumpenbaugruppe kann ein oder mehrere, einschließlich einiger oder aller der oben beschriebenen Merkmale umfassen. Es ist auch zu verstehen, dass jede(r) geeignete Größe, Form oder Typ von Elementen oder Materialien benutzt werden kann, wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht.
Während die vorliegende Offenbarung auf ein Extruder-Design für Metalle mit niedriger Viskosität gerichtet ist, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die Extrusion von niederviskosen Metallen begrenzt. Die vorliegende Offenbarung kann auch mit dielektrischen Materialien wie technischen Kunststoffen benutzt werden; insbesondere können mit Partikeln gefüllte, dielektische Materialien oder Kurzfadenfüllstoffe mit der offenbarten Viskositätspumpe extrudiert werden, wobei die offenbarte Viskositätspumpe einige Vorteile gegenüber langen zylindrischen Extruderschnecken oder Zahnradpumpen hat. Die Viskositätspumpe der vorliegenden Offenbarung kann auch zum Extrudieren von hochviskosen Metallen wie metallischen Massivgläsern oder peritektischen Legierungen benutzt werden.
Die vorliegende Offenbarung wurde zwar mit Bezug auf bevorzugte Ausgestaltungen beschrieben, aber die Fachperson wird erkennen, dass Änderungen an Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von Wesen und Umfang der Offenbarung abzuweichen.

Claims

Viskositätspumpenbaugruppe (10) zur Verwendung in einem additiven Herstellungssystem, wobei die Viskositätspumpenbaugruppe (10) Folgendes umfasst: eine Viskositätspumpe (12) mit einer Pumpenkammer (26), konfiguriert zum Aufnehmen eines Vorrats an Verbrauchsmaterial von einem Einlass (70), wobei die Pumpenkammer (26) einen Auslass (24) mit einer konischen Ausgestaltung aufweist, und der zum Extrudieren des Verbrauchsmaterials daraus konfiguriert ist; ein Laufrad (14), das sich in die Pumpenkammer (26) erstreckt und eine Drehachse (41) hat, wobei das Laufrad (14) zum Bereitstellen einer Drehbewegung zum Pumpen des Verbrauchsmaterials durch das Auslassende und zum Bewegen parallel zur Drehachse (41) konfiguriert ist; und wobei das Laufrad (14) ein distales Spitzenende aufweist, das eine logarithmische Spirale umfasst, und eine konische Oberfläche mit einer zu der konischen Ausgestaltung des Auslasses (24) der Viskositätspumpe (12) komplementären Ausgestaltung aufweist, sodass das Laufrad (14) derart ausgestaltet ist, dass es mit dem Auslass (24) zusammenpasst, um eine Dichtung zwischen der konischen Oberfläche und dem konischen Auslass (24) zur Verfügung zu stellen; einen Laufradaktuator (47), der mit dem Laufrad (14) gekoppelt und zum Bewegen des Laufrads (14) parallel zur Drehachse (41) konfiguriert ist; eine Sensorbaugruppe (76), die wenigstens teilweise in dem Gehäuse positioniert und zum Erfassen eines Spiegels des Verbrauchsmaterials in der Pumpenkammer (26) konfiguriert ist; und eine Steuerung (100), konfiguriert zum Empfangen eines Signals von der Sensorbaugruppe (76) in Bezug auf den Spiegel des Verbrauchsmaterials in der Pumpenkammer (26), der mit einem Volumen von Verbrauchsmaterial in dem Gehäuse korreliert und mit einem volumetrischen Fließratensollwert verglichen werden kann, wobei die Steuerung (100) zum Senden eines Signals zum Laufradaktuator (47) zum Bewegen des Laufrads (14) parallel zur Drehachse (41) konfiguriert ist, um die volumetrische Fließrate relativ zum volumetrischen Fließratensollwert zu justieren.
Viskositätspumpenbaugruppe (10) nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: einen Antriebsmechanismus (16), der mit dem Laufrad (14) gekoppelt und zum Drehen des Laufrads (14) in einer gewählten Drehrichtung und mit einer gewählten Drehzahl konfiguriert ist, wobei der Antriebsmechanismus (16) zum Empfangen eines Signals von der Steuerung (100) auf der Basis des erfassten Spiegels konfiguriert ist, um die Drehzahl passend zur volumetrischen Fließrate zu erhöhen oder zu verringern.
Viskositätspumpenbaugruppe (10) nach Anspruch 1, wobei der Antriebsmechanismus (16) einen drehzahlvariablen Elektromotor (44) umfasst.
Viskositätspumpenbaugruppe (10) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (100) zum Senden von Signalen konfiguriert ist, um eine Änderung der Drehzahl des Laufrads (14) zu bewirken und gleichzeitig eine Bewegung des Laufrads (14) parallel zur Drehachse (41) als Reaktion auf den erfassten Spiegel in der Pumpenkammer (26) zu bewirken.
Viskositätspumpenbaugruppe (10) nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: einen mit dem Einlass (70) des Gehäuses gekoppelten Fließkanal (72); und eine Anfangsphasenheizkammer (18), die eine Einlassöffnung umfasst, konfiguriert zum Aufnehmen des Verbrauchsmaterials, und eine Auslassöffnung, wobei die Auslassöffnung mit dem Einlass (70) der Viskositätspumpe (12) mit dem Fließkanal (72) fluidisch verbunden ist, wobei die Heizkammer (18) Folgendes umfasst: ein Heizelement (27) in Wärmekontakt mit der Heizkammer (18), wobei das Heizelement (27) zum Erhitzen eines Vorrats des Verbrauchsmaterials konfiguriert ist; und einen Temperatursensor (29), konfiguriert zum Erfassen einer Temperatur in der Heizkammer (18), wobei der Temperatursensor (29) zum Senden eines Signals zur Steuerung (100) konfiguriert ist und die Steuerung (100) zum Vergleichen der erfassten Temperatur mit einem Temperatursollwert konfiguriert ist und auf der Basis einer Differenz zwischen der erfassten Temperatur und dem Temperatursollwert das Senden eines Signals zum Heizelement (27) zum Justieren der Temperatur in der Heizkammer (18) bewirkt.
Viskositätspumpenbaugruppe (10) nach Anspruch 5, die ferner Folgendes umfasst: einen Anfangsphasenheizkammer-Spiegelsensor (76), konfiguriert zum Erfassen eines Spiegels des Verbrauchsmaterials in der Anfangsphasenheizkammer (18) und konfiguriert zum Anlegen eines Signals in Bezug auf den Spiegel des Verbrauchsmaterials an die Steuerung (100); wobei die Steuerung (100) zum Empfangen des Signals in Bezug auf den erfassten Spiegel und zum Vergleichen des erfassten Spiegels mit einer Untergrenze und einer Obergrenze konfiguriert ist, wobei der Sensor konfiguriert ist, um zu bewirken, dass eine Menge des Verbrauchsmaterials in die Anfangsphasenheizkammer (18) abgesetzt wird, wenn die Untergrenze erfasst wird, und konfiguriert ist, um zu verhindern, dass das Verbrauchsmaterial in der Anfangsphasenheizkammer (18) abgesetzt wird, wenn die Obergrenze erfasst wird.
Viskositätspumpenbaugruppe (10) nach Anspruch 1, wobei die Viskositätspumpe (12) ferner Folgendes umfasst: ein Heizelement (31) in Wärmekontakt mit der Viskositätspumpe, wobei das Heizelement (31) zum Erhitzen eines Vorrats des Verbrauchsmaterials konfiguriert ist; und einen Temperatursensor (29), konfiguriert zum Erfassen einer Temperatur in der Pumpenkammer (26), wobei der Temperatursensor (29) zum Senden eines Signals zur Steuerung (100) konfiguriert ist und die Steuerung (100) zum Vergleichen der erfassten Temperatur mit einem Temperatursollwert und auf der Basis einer Differenz zwischen der erfassten Temperatur und dem Temperatursollwert konfiguriert ist, und wobei die Steuerung (100) zum Senden eines Signals zum Heizelement (31) konfiguriert ist, um die Temperatur in der Heizkammer (18) zu justieren und/oder um ein Signal zum Laufradaktuator (47) zu senden, um zu bewirken, dass sich das Laufrad (14) parallel zur Drehachse (41) bewegt.
Viskositätspumpenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (100) eine Spiegelobergrenze und eine Spiegeluntergrenze für das Verbrauchsmaterial in der Viskositätspumpe (12) umfasst, und die Steuerung (100), wenn die Spiegeluntergrenze von der Sensorbaugruppe (76) erfasst wird, konfiguriert ist zum Bewirken, dass der Pumpenkammer (26) Material zugeführt wird, bis die Spiegelobergrenze erfasst wird.
Viskositätspumpe nach Anspruch 1, wobei der Sensor einen Kapazitätssensor umfasst.
Viskositätspumpe nach Anspruch 9, wobei der Kapazitätssensor Folgendes umfasst: eine Elektrode, die zum Positionieren um das Laufrad (14) konfiguriert ist; und mehrere beabstandete Leitbleche, die sich von der Elektrode erstrecken, wobei die mehreren beabstandeten Leitbleche zum Kontaktieren von geschmolzenem Material in der Viskositätspumpe (12) konfiguriert sind.
Viskositätspumpe nach Anspruch 1, wobei das Verbrauchsmaterial eine Legierung auf Flüssigmetallbasis umfasst.
Verfahren zum Drucken eines 3D-Teils mit einem additiven Herstellungssystem, wobei das Verfahren Folgendes beinhaltet: Bereitstellen einer Viskositätspumpenbaugruppe (10) in dem additiven Herstellungssystem, wobei das Viskositätspumpensystem (10) Folgendes umfasst: eine Viskositätspumpe (12), die Folgendes umfasst: ein Gehäuse mit einer Pumpenkammer (26) mit einem Einlass (70) und einem Auslass (24), der eine konische Ausgestaltung aufweist und eine Austrittsöffnung umfasst, welche zum Extrudieren eines Teilematerials ausgestaltet ist; ein Laufrad (14) mit einer Laufradspitze an einem distalen Ende und mit einer Drehachse (41); einen mit dem Laufrad (14) gekoppelten Aktuator (47), konfiguriert zum Bewegen des Laufrads (14) parallel zur Drehachse (41), und wobei das Laufrad (14) ein distales Spitzenende aufweist, das eine logarithmische Spirale umfasst, und eine konische Oberfläche mit einer zu der konischen Ausgestaltung des Auslasses (24) der Viskositätspumpe (12) komplementären Ausgestaltung aufweist, sodass das Laufrad (14) derart ausgestaltet ist, dass es mit dem Auslass (24) zusammenpasst, um eine Dichtung zwischen der konischen Oberfläche und dem konischen Auslass (24) zur Verfügung zu stellen; eine Antriebsbaugruppe (16), konfiguriert zum Drehen des Laufrads (14) um die Drehachse (41); und eine Anfangsphasenheizkammer (18), konfiguriert zum Schmelzen des Teilematerials und konfiguriert zum Aufnehmen von ungeschmolzenem Teilematerial und fließgeschmolzenem Teilematerial zur Viskositätspumpe (12); Benutzen einer Steuerung (100) zum Bestimmen von Extrusionsratensollwerten; Drucken eines Abschnitts eines 3D-Teils durch Extrudieren von Teilematerial entlang einem oder mehreren Werkzeugpfaden, definiert gemäß einem 3D-Modell des Teils; Messen der Extrusionsrate vom Auslass (24) der Viskositätspumpe (12) und Vergleichen der gemessenen Extrusionsrate mit dem Extrusionsratensollwert; und Senden eines Signals von der Steuerung (100) zum Aktuator (47) zum Justieren einer Position des Laufrads (14) als Reaktion auf eine Differenz zwischen der gemessenen Extrusionsrate und dem Extrusionsratensollwert.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner Folgendes beinhaltet: Senden eines Signals von der Steuerung (100) zum Antriebsmechanismus (16) zum Justieren einer Drehzahl des Laufrads (14) als Reaktion auf eine Differenz zwischen der gemessenen Extrusionsrate und dem Extrusionsratensollwert.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner Folgendes beinhaltet: Senden eines Signals von der Steuerung (100) zum Aktuator (47), um zu bewirken, dass das Laufrad (14) den Auslass (24) abdichtet; Erfassen eines Materialspiegels in der Viskositätspumpe (12); Senden eines Signals zur Anfangsphasenheizkammer (18), so dass das geschmolzene Material von der Anfangsphasenheizkammer (18) zur Viskositätspumpe (12) fließt; und Senden eines Signals zur Anfangsphasenheizkammer (18), so dass der Fluss des geschmolzenen Materials von der Anfangsphasenheizkammer (18) zur Viskositätspumpe (12) gestoppt wird, wenn eine Spiegelobergrenze in der Viskositätspumpe (12) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner Folgendes beinhaltet: Senden eines Signals von der Steuerung (100) zum Aktuator, um eine Position des Laufrads (14) zum Aufheben der Abdichtung des Auslasses (24) zu justieren; Senden eines Signals von der Steuerung (100) zum Antriebsmechanismus (16), um eine Drehung des Laufrads (14) mit einer gewählten Drehzahl zu bewirken; Erfassen der Extrusionsrate und Vergleichen der Extrusionsrate mit dem Extrusionsratensollwert; und Senden eines Signals von der Steuerung (100) zum Aktuator (47), um zu bewirken, dass die Position des Laufrads (14) bewegt wird, und/oder um zu bewirken, dass ein Signal zum Antriebsmechanismus (16) gesendet wird, um eine Justierung der Drehzahl des Laufrads (14) zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner Folgendes beinhaltet: Erfassen eines Materialspiegels in der Anfangsphasenheizkammer (18); Senden eines Signals von der Steuerung (100) zum Übertragen von Teilematerial zur Anfangsphasenheizkammer (18); und Schmelzen des Teilematerials zum Bereitstellen eines Materialvorrats für die Viskositätspumpe (12).
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner Folgendes beinhaltet: Drucken einer vollständigen Schicht des 3D-Teils; Senden eines Signals von der Steuerung (100) zum Aktuator (47), um zu bewirken, dass das Laufrad (14) den Auslass (24) abdichtet; Erfassen eines Materialspiegels in der Viskositätspumpe (12); Senden eines Signals zur Anfangsphasenheizkammer (18), so dass geschmolzenes Material von der Anfangsphasenheizkammer (18) zur Viskositätspumpe (12) fließt; und Senden eines Signals von der Steuerung (100) zur Anfangsphasenheizkammer (18), so dass der Fluss des geschmolzenen Materials von der Anfangsphasenheizkammer (18) zur Viskositätspumpe (12) gestoppt wird, wenn eine Spiegelobergrenze in der Viskositätspumpe (12) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner Folgendes beinhaltet: Bereitstellen eines Fließkanals (72) zwischen der Anfangsphasenheizkammer (18) und der Anfangsphasenheizkammer (18) mit einem Ventil (75) darin und einem Ventilaktuator (73) in Verbindung mit dem Ventil (75); wobei das Bewirken des Sendens des Signals von der Steuerung (100) zur Anfangsphasenheizkammer (18) das Senden eines Signals zum Ventilaktuator (73) zum Steuern des Flusses von geschmolzenem Material beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner Folgendes beinhaltet: Erfassen einer Temperatur des Materials in der Viskositätspumpe (12); und Senden eines Signals auf der Basis der erfassten Temperatur von der Steuerung (100) entweder zum Aktuator (47) zum Justieren der axialen Position des Laufrads (14) oder zum Antriebsmechanismus (16) zum Justieren der Drehzahl des Laufrads (14).
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner Folgendes beinhaltet: Erfassen einer Temperatur des Materials in der Viskositätspumpe (12); und Senden eines Signals von der Steuerung (100) zu einem Heizmechanismus der Viskositätspumpe (12) zum Erhöhen oder Verringern von Wärmefluss zum Material.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner Folgendes beinhaltet: Erfassen einer Temperatur des Materials in der Anfangsphasenheizkammer (18); und Senden eines Signals von der Steuerung (100) zu einem Heizmechanismus der Anfangsphasenheizkammer (18) zum Erhöhen oder Verringern von Wärmefluss zum Material.