DE202014008106U1 - 3D printhead consisting of heating block with nozzle (English Hot End) for 3D printers that work according to the fused deposition modeling method, for melting filament material - Google Patents
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Abstract
3D-Druckkopf bestehend aus Heizblock mit Düse (englisch.: Hot End) für 3D-Drucker, die nach dem Fused Deposition Modeling-Verfahren arbeiten, zum Aufschmelzen von Filamentmaterial dadurch gekennzeichnet, dass im Druckkopf eine Kühlung mittels Flüssigkeit und mehrere Heizzonen separat geregelt werden können, um definierte thermische Verhältnisse im Inneren zu erzeugen.3D print head consisting of a heating block with nozzle (English: Hot End) for 3D printers that work according to the fused deposition modeling process, for melting filament material, characterized in that liquid cooling and several heating zones are controlled separately in the print head can to generate defined thermal conditions inside.
Description
3D-Druckkopf bestehend aus Heizblock mit Düse (englisch.: Hot End) für 3D-Drucker, die nach dem Fused Deposition Modeling-Verfahren arbeiten, zum Aufschmelzen von Filamentmaterial3D print head consisting of heating block with nozzle (English: Hot End) for 3D printers, which work according to the fused deposition modeling process, for melting filament material
Bei 3D-Druckern, die nach dem FDM-(Fused Deposition Modelling)Verfahren arbeiten, liegt das Ausgangsmaterial in Form eines Drahtmaterials mit immer gleichem Querschnitt vor (Filament). Dieses kann auf einer Spule aufgewickelt oder bei starren Materialien auch stangenförmig vorliegen. Das Filament wird bei FDM-Verfahren durch eine beheizte Kammer gefördert und dort aufgeschmolzen. Das schmelzflüssige Material wird durch eine Düse mit definiertem Querschnitt gedrückt. Gleichzeitig erfolgt eine Bewegung in x- und y-Richtung. Während dieser Bewegung wird gleichzeitig das Material auf eine Plattform definiert abgelegt. Eine Verfahrbewegung in z-Richtung ermöglicht das Erzeugen weiterer Schichten auf dem bereits abgelegten Material. Dieser schichtweise Aufbau kennzeichnet das FDM-Verfahren und ermöglicht die Generierung von dreidimensionalen Objekten bzw. von Volumenkörpern. Ein anderer gleichwertiger Begriff für dieses Verfahren ist FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication)For 3D printers using the FDM (Fused Deposition Modeling) process, the starting material is in the form of a wire material with the same cross section (filament). This can be wound up on a spool or rod-shaped in the case of rigid materials. The filament is conveyed by FDM process through a heated chamber and melted there. The molten material is forced through a nozzle of defined cross section. At the same time there is a movement in the x and y direction. During this movement, the material is simultaneously deposited on a platform defined. A movement in the z-direction makes it possible to create further layers on the already deposited material. This layered structure characterizes the FDM method and enables the generation of three-dimensional objects or of solids. Another equivalent term for this process is FFF (Fused Filament Fabrication).
Bisherige Heizblöcke mit Düse (Hot End) benötigen im Inneren sehr exakte Temperaturverhältnisse. So muss am Düsenende der Kammer die Temperatur hoch genug sein, um das Filamentmaterial in den schmelzflüssigen Zustand zu überführen. Über die Düse, die mit der Kammer fest verbunden bzw. verschraubt ist, gelangt die Schmelze ins Freie und wird auf der Plattform abgelegt. An der Eintrittsseite der Kammer dürfen die Temperaturen nicht zu hoch sein, da hier das noch feste Filament nachgeschoben wird. Erst das Nachschieben von Filament am Kammereingang führt zum Herausdrücken von aufgeschmolzenem Material an der Düse. Ist die Temperatur am Kammereingang zu hoch, erweicht das Filament und aufgrund der fehlenden Festigkeit kann es nicht nachgeschoben werden oder es dehnt sich durch die Erwärmung aus und verstopft so den Beschickungskanal. Ein 3D-Druck nach dem FDM Verfahren wird auch versagen, wenn die Temperatur am Düsenende zu niedrig ist und das Material unzureichend aufgeschmolzen ist. Die Düse ist dann durch unaufgeschmolzenes Material blockiert. Gerade bei höheren Materialdurchsätzen ist dies ein häufiges Problem.Previous heating blocks with nozzle (hot end) require very exact temperature conditions inside. Thus, at the nozzle end of the chamber, the temperature must be high enough to bring the filament material into the molten state. Through the nozzle, which is firmly connected or bolted to the chamber, the melt passes into the open air and is deposited on the platform. At the inlet side of the chamber, the temperatures must not be too high, because here the still solid filament is nachgeschoben. Only the feeding of filament at the chamber entrance leads to pushing out of molten material at the nozzle. If the temperature at the chamber entrance is too high, the filament softens and due to the lack of strength it can not be pushed or it expands due to the heating and thus clogs up the feed channel. 3D printing using the FDM process will also fail if the temperature at the nozzle end is too low and the material is insufficiently melted. The nozzle is then blocked by unmelted material. Especially at higher material throughputs, this is a common problem.
Für die Funktion des Druckers ist es also notwendig, definierte thermisch unterschiedliche Zustände in ein und demselben Druckkopf (Hot End) einzuhalten. Derzeitige Systeme versuchen dies über einen langgezogenen Kühlrippenbereich zu realisieren und/oder haben eine Luftkühlung im Bereich des Filamenteintritts. Dies versagt allerdings, wenn sich die Geschwindigkeiten beim Drucken drastisch erhöhen, da es dann zu einer Verschiebung der thermischen Verhältnisse im inneren des Druckkopfes (Kammer) kommt. Die Folge ist, dass bei höheren Geschwindigkeiten mit den bisherigen Systemen die Düse kein Material mehr fördert. Auch lässt sich mit den bisherigen Systemen nicht jeder Kunststoff oder auch andere Materialien mit Kunststoff als Träger und Füllstoff, wie z. B. keramisches oder metallisches Material, verarbeiten, da diese Materialien andere Temperaturen zum Schmelzen benötigen.For the function of the printer, it is therefore necessary to comply with defined thermally different states in one and the same print head (hot end). Current systems try to realize this over a long finned fin area and / or have air cooling in the filament entrance area. However, this fails if the speeds increase drastically during printing, because then there is a shift in the thermal conditions in the interior of the print head (chamber). The result is that at higher speeds with the previous systems, the nozzle no longer promotes material. Even with the previous systems not every plastic or other materials with plastic as a carrier and filler, such. As ceramic or metallic material process, since these materials require different temperatures for melting.
Gerade bei sich ändernden Anforderungen wie z. B. unterschiedliches Material oder auch Änderungen der Druckgeschwindigkeit ist es wichtig die thermischen Bedingungen dynamisch zu regeln und anzupassen um immer das gewünschte Temperaturprofil im Innneren des Druckkopfes zu haben.Especially with changing requirements such. As different material or changes in printing speed, it is important to dynamically regulate the thermal conditions and adapt to always have the desired temperature profile inside the print head.
Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Druckkopf bestehend aus Heizblock mit Düse (Hot End) zu schaffen, in dessen Innerem (Kammer) ein definiertes und stabiles Temperaturprofil vorliegt. Der Einlass, in dem das Filament in den Druckkopf gelangt, muss unterhalb der Schmelztemperatur des Materials liegen und an der Austrittsseite (Düse) muss die Temperatur hoch genug sein um ein Aufschmelzen des Filaments zu erreichen.The protection specified in
Das Problem wird mit den im Schutzanspruch (1) aufgeführten Merkmalen gelöst.The problem is solved with the protection claim (1) listed features.
Die Lösung, um ein definiertes thermisches Profil in der Kammer des Druckkopfes zu erreichen, besteht darin, dass der Druckkopf aus mehreren Elementen (Bauteilen) besteht, die alle fest mit einander verbunden sind z. B. durch Verschraubungen. Im Bereich in dem das Material in den Druckkopf eintritt ist eine Wasserkühlung vorgesehen, die über einen Temperatursensor geregelt wird. Im Bereich des Materialaustrittes befinden sich Heizelemente, die ebenfalls über einen Temperatursensor geregelt werden. Vom Austrittsbereich des Materials in Richtung Einlassbereich befinden sich mehrere Heizzonen. Diese sind dadurch gekennzeichnent, dass sie aus einem im Druckkopf befestigtes Heizelement und jeweils einen Temperatursensor haben. Je nach Bedarf können die Heizelemente einzeln zugeschaltete oder abgeschaltet werden. Durch die Regelung des gekühlten Bereiches und der Regelung des Heizbereiches kann auch bei sich ändernden thermischen Verhältnissen ein stabiles Temperaturprofil im Inneren des Druckkopfes erreicht werden. Gekühlter und beheizter Bereich werden zudem durch eine dazwischen befindliches Bauteil thermisch getrennt. Dieses Bauteil besteht dementsprechend aus einem schlecht wärmeleitenden Material wie z. B. Keramik, Kunstsoff, Holz oder ähnlichem.The solution to achieve a defined thermal profile in the chamber of the print head is that the print head consists of several elements (components), all of which are firmly connected to each other e.g. B. by screwing. In the area in which the material enters the print head is a water cooling is provided, which is controlled by a temperature sensor. In the area of the material outlet are heating elements, which are also controlled by a temperature sensor. From the exit area of the material towards the inlet area there are several heating zones. These are characterized in that they have a heating element mounted in the print head and in each case a temperature sensor. Depending on requirements, the heating elements can be individually switched on or off. By controlling the cooled area and the control of the heating area, a stable temperature profile inside the print head can be achieved even with changing thermal conditions. Cooled and heated areas are also thermally separated by a component located between them. Accordingly, this component consists of a poor thermal conductivity material such. As ceramics, Kunstsoff, wood or the like.
Der Einlassbereich der Kammer für das Filament ist über einen Anschlussteil entweder mit einem Bowden-Extruder oder direkt mit einem Extruder verbunden, der das Filament in die Kammer fördert.The inlet portion of the chamber for the filament is connected via a connector either to a Bowden extruder or directly to an extruder which conveys the filament into the chamber.
Über den Einlass (
Um die Wärmeverluste von (
Der entscheidende Vorteil ist, dass über Kühl- und Heizzonen zu jedem Zeitpunkt ein definiertes Temperaturprofil im Inneren des Druckkopfes generiert werden kann. Ein weiterer Vorteil der Konstruktion sind die bessere thermische Trennung der Bereiche durch die Nutzung mehrer Bauteile und der thermischen Trennschicht (
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Druckkopf OberteilPrinthead upper part
- 1.11.1
- Einlassbereichinlet area
- 1.21.2
- Kühlkanäle für FlüssigkeitskühlungCooling channels for liquid cooling
- 1.31.3
- Temperatursensortemperature sensor
- 22
- Thermische TrennschichtThermal separating layer
- 33
- Druckkopf UnterteilPrint head lower part
- 3.13.1
- Düsejet
- 3.23.2
- Heizelementheating element
- 3.33.3
- Temperatursensortemperature sensor
- 44
- Außenisolierungexternal insulation
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202014008106.9U DE202014008106U1 (en) | 2014-10-09 | 2014-10-09 | 3D printhead consisting of heating block with nozzle (English Hot End) for 3D printers that work according to the fused deposition modeling method, for melting filament material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202014008106.9U DE202014008106U1 (en) | 2014-10-09 | 2014-10-09 | 3D printhead consisting of heating block with nozzle (English Hot End) for 3D printers that work according to the fused deposition modeling method, for melting filament material |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE202014008106U1 true DE202014008106U1 (en) | 2014-11-13 |
Family
ID=52010828
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE202014008106.9U Expired - Lifetime DE202014008106U1 (en) | 2014-10-09 | 2014-10-09 | 3D printhead consisting of heating block with nozzle (English Hot End) for 3D printers that work according to the fused deposition modeling method, for melting filament material |
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WO2023106912A1 (en) | 2021-12-07 | 2023-06-15 | Ultimaker B.V. | A liquefier for use in an fff system |
-
2014
- 2014-10-09 DE DE202014008106.9U patent/DE202014008106U1/en not_active Expired - Lifetime
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