DE202015006748U1

DE202015006748U1 - Drive unit for printhead for conveying filament materials or granules, fluids or pastes

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Publication number: DE202015006748U1
Application number: DE202015006748.4U
Authority: DE
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Priority date: 2015-09-26
Filing date: 2015-09-26
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2025-09-27

Abstract

Antriebseinheit für Druckkopf zum Fördern von Filament-, Granulat, Fluid- oder Pastenartigen Materialien dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsleistung eines stationären Antriebes auf den Druckkopf schlupffrei übertragen werden kann, um damit eine präzise Förderleistung zu realisieren.Drive unit for printhead for conveying filament, granules, fluid or paste-like materials, characterized in that the drive power of a stationary drive can be transmitted to the print head without slippage, in order to realize a precise flow rate.

Description

Die Maschinenklasse der 3D Drucker arbeiten häufig nach dem FLM (Fused Lager Modelling), FDM (Fused Deposition Modelling) bzw. FFF (Fused Filament Fabrication) oder anderen gleichwertigen Verfahren. Bei diesen Verfahren liegt das Ausgangsmaterial in Form eines Drahtmaterials mit idealerweise immer gleichem Querschnitt vor (Filament). Ein gleichbleibender Querschnitt ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Das Filament kann auf einer Spule aufgewickelt oder bei starren Materialien auch stangenförmig vorliegen. Anstelle von Filamentmaterialien können auch Granulate, Fluide oder Pasten verwendet werden. Das Material wird bei oben genannten Verfahren durch eine temperierte Kammer gefördert und dort aufgeschmolzen. Das schmelzflüssige Material wird durch eine Düse mit definiertem Querschnitt gedrückt. Die hierfür verwendete Vorrichtung wird umgangssprachlich meist Druckkopf oder Hot End genannt. 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. Der schichtweise Aufbau ist nicht zwingend erforderlich. Bei modernen Maschinen kann der Aufbau mittels beliebig vielen Bewegungsachsen auch kontinuierlich und dreidimensional erfolgen. Ein Beispiel hierfür wäre ein robotergeführter Druckkopf. Diese Art von Aufbau kennzeichnet die oben genannten Verfahren und ermöglicht die Generierung von dreidimensionalen Objekten bzw. von Volumenkörpern aus unterschiedlichsten Materialien.The machine class of 3D printers often use Fused Bearing Modeling (FLM), Fused Deposition Modeling (FDM), or other equivalent methods. In these processes, the starting material is in the form of a wire material, ideally always the same cross section (filament). However, a constant cross section is not absolutely necessary. The filament can be wound on a spool or rod-shaped in the case of rigid materials. Instead of filament materials also granules, fluids or pastes can be used. The material is conveyed in the above-mentioned method through a tempered chamber and melted there. The molten material is forced through a nozzle of defined cross section. The device used for this purpose is colloquially usually called printhead or hot end. 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. The layered structure is not mandatory. In modern machines, the structure can be carried out by means of any number of axes of motion also continuously and three-dimensionally. An example would be a robotic printhead. This type of structure characterizes the above-mentioned methods and allows the generation of three-dimensional objects or of solids from a wide variety of materials.

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 Druckmaterial in den schmelzflüssigen Zustand zu überführen. Über die Düse, die mit der Kammer fest verbunden bzw. verschraubt oder geklemmt 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 Druckmaterial nachgefördert wird. Erst das Nachfördern von Druckmaterial am Kammereingang führt zum Herausdrücken von aufgeschmolzenem Material an der Düse. Eine höhere Genauigkeit beim Nachfördern des Materials hat einen wiederholbaren Prozess und somit eine höhere Bauteilgenauigkeit zur Folge. Nicht nur das Nachfördern in den Druckkopf, sondern auch ein leichtes Herausfordern des Materials aus dem Druckkopf ist für bestimmte Funktionen notwendig. Speziell am Ende eines Druckvorganges oder beim Wechsel auf einen anderen Druckbereich gleicher oder unterschiedlicher Höhe verbessert dies oftmals die Qualität.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 convert the print material to the molten state. About the nozzle, which is firmly connected to the chamber or screwed or clamped, 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, since the still solid printing material is fed here. Only the Nachfördern of printing material at the chamber entrance leads to pushing out of molten material at the nozzle. Greater accuracy in re-feeding the material results in a repeatable process and thus higher component accuracy. Not only the Nachfördern in the printhead, but also an easy challenge of the material from the printhead is necessary for certain functions. Especially at the end of a printing process or when changing to a different pressure range of the same or different height, this often improves the quality.

Für die Funktion des Druckers ist es also notwendig, das Druckmaterial so genau wie möglich in, oder aus dem Druckkopf zu befördern. Derzeitige Systeme erreichen dies durch direkt angetriebene Extruder oder einen sogenannten Bowden-Extruder. Auch Extruder welche mittels biegsamer Welle angetrieben werden sind zwar selten, aber verfügbar.For the function of the printer, it is therefore necessary to convey the printing material as accurately as possible into or out of the print head. Current systems achieve this through directly driven extruders or a so-called Bowden extruder. Even extruders which are driven by flexible shaft are rare, but available.

Direkt angetriebene Systeme haben den Antrieb so weit wie möglich oder direkt am Druckkopf. Dies wird meist durch einen Antriebsmotor erreicht, welcher direkt am Druckkopf befestigt wird und das Druckmaterial in das Hot End befördert. Ist der Antriebsmotor entsprechend dimensioniert, kann auf ein zusätzliches Getriebe verzichtet werden. Muss ein Getriebe verwendet werden sinkt der Gesamtwirkungsgrad durch die Getriebeverluste. Das Umkehrspiel bei Verwendung von nicht spielfreien Getrieben verschlechtert die Genauigkeit beim Nachfördern und Herausziehen des Materials. Einen Nachteil des direkten Anbaus der Komponenten auf dem Druckkopf stellt die erhöhte Massenträgheit dar. Durch das höhere Gewicht eines direkten Antriebes erhöht sich nicht nur die notwendige Antriebsleistung. Auch die Genauigkeit speziell bei höheren Geschwindigkeiten wird negativ beeinflusst. Auf ein entsprechend steifes Grundgestell um Vibrationen zu vermeiden, ist ebenfalls zu achten. Der meist erhöhte Platzbedarf der direkt angebauten Antriebselemente hat einen größeren Abstand der beiden Hot Ends zur Folge und benötigt aufgrund dessen mehr Verfahrbewegung in x und y um den gesamten Druckbereich auszunutzen, was meist das gesamte Gerät größer werden lässt. Einen Vorteil stellt die direkte und ausreichend starke Antriebsleistung dar, welche durch den direkten Anbau die Beförderung des Materials auch in ausreichender Genauigkeit gewährleistet. Flexible, leicht stauchbare oder knickende Materialen sowie Granulate können mit einem direkt angetriebenen System durchaus befördert werden. Auch für Fluide und Pasten werden direkt angetriebene Systeme verwendet.Direct drive systems have the drive as far as possible or directly on the print head. This is usually achieved by a drive motor which is attached directly to the print head and conveys the print material into the hot end. If the drive motor is dimensioned accordingly, can be dispensed with an additional gear. If a transmission has to be used, the overall efficiency drops due to the transmission losses. The backlash when using non-backlash gears will degrade the accuracy of post-feed and pull-out of the material. A disadvantage of the direct mounting of the components on the printhead is the increased inertia. The higher weight of a direct drive not only increases the necessary drive power. Also, the accuracy especially at higher speeds is adversely affected. On a suitably stiff base frame to avoid vibration, is also important. The usually increased space requirement of the directly mounted drive elements has a greater distance between the two hot ends result and due to its need more movement in x and y to exploit the entire pressure range, which usually makes the entire device can be larger. An advantage is the direct and sufficiently strong drive power, which ensures the transport of the material in sufficient accuracy by the direct cultivation. Flexible, easily compressible or buckling materials as well as granules can be transported with a direct drive system. Also for fluids and pastes directly driven systems are used.

Eine spezielle und neue Art der Extruder arbeitet anstelle von Filamentmaterialien mit Granulat. Bei einem sogenannten Granulatextruder wird beispielweise Kunststoffgranulat direkt in das Hot End gefördert und verarbeitet. Bei der Verarbeitung von Granulat kann der aufwendige Herstellprozess zum Erstellen von Filamentmaterialien entfallen. Durch die hohe Verfügbarkeit des Materials am Markt ist Granulat deutlich günstiger als das bisher gängige Filamentmaterial. Da bei diesem Prozess alle erdenklichen Granulate, welche beispielweise auch beim Spritzgießen verwendet werden, gemischt oder ungemischt, mit oder ohne Füllstoff, in jeder beliebigen Farbe durch Masterbatch oder eingefärbten Grundwerkstoff, verarbeitet werden können, sind der Materialvielvalt und Flexibilität keine Grenzen gesetzt. Beim Granulatextruder ist meist ein direkter Antrieb am Extruder vorzufinden. Durch die deutlich aufwendigere Mechanik und direktem Antrieb steigt die Massenträgheit noch höher an wie bei direkt angetriebenen Filamentextrudern.A special and new type of extruder works instead of filament materials with granules. In a so-called granular extruder, for example, plastic granulate is conveyed and processed directly into the hot end. In the processing of granules, the complex manufacturing process for creating filament materials can be omitted. Due to the high availability of the material on the market, granules are significantly cheaper than the previously common filament material. Since all conceivable granules, which are also used in injection molding for example, mixed or unmixed, with or without filler, in any color by masterbatch or colored base material, can be processed in this process, the material diversity and flexibility are no limits. The granulate extruder usually has a direct drive on the extruder. Due to the much more complex mechanism and direct drive, the inertia increases even higher than with directly driven filament extruders.

Bowden-Extruder haben den Antrieb meist fest am Rahmen montiert. Das Filament wird geführt durch einen Schlauch in das Hot End befördert. Ist der Antriebsmotor entsprechend dimensioniert, kann auf ein zusätzliches Getriebe verzichtet werden. Muss ein Getriebe verwendet werden sinkt der Gesamtwirkungsgrad durch die Getriebeverluste. Das Umkehrspiel bei Verwendung von nicht spielfreien Getrieben verschlechtert die Genauigkeit beim Nachschieben und Herausziehen des Materials. Ein Vorteil des Bowden-Extruders besteht darin, dass der Druckkopf deutlich leichter ausgeführt werden kann, da dieser nicht durch direkt angebaute Antriebselemente gespeist wird. Dadurch kann mit minimierter Trägheit verfahren werden. Dies erhöht die Dynamik bei gleichbleibender Genauigkeit, ohne dabei erhöhte Vibrationen in die Konstruktion abzuleiten. Ein Nachteil des Bowden-Extruders ist die maximale erreichbare Entfernung zum Druckkopf. Wird die Entfernung zu groß, steigt die Reibung im Schlauch an und eine Beförderung des Materials ist nicht mehr gleichmäßig möglich. Einen weiteren Nachteil stellt die unzureichende Genauigkeit dar. Je nachdem wie sich das Material in der Führung abstützt, hat dies eine Abweichung der beförderten Länge zur Folge. Ein großes Problem stellen flexible, leicht stauchbare oder knickende Materialen oder Materialien mit hohem Reibwert dar. Ein zuverlässiges befördern der Materialien ist mit einem Bowden-Extruder nicht, oder nur eingeschränkt möglich.Bowden extruders usually have the drive firmly mounted to the frame. The filament is fed through a hose into the hot end. If the drive motor is dimensioned accordingly, can be dispensed with an additional gear. If a transmission has to be used, the overall efficiency drops due to the transmission losses. The backlash when using non-backlash gears degrades the accuracy of postponing and pulling out of the material. An advantage of the Bowden extruder is that the printhead can be made significantly lighter, as it is not powered by directly mounted drive elements. This can be moved with minimized inertia. This increases the dynamics with constant accuracy, without deriving increased vibrations in the construction. A disadvantage of the Bowden extruder is the maximum achievable distance to the printhead. If the distance is too large, the friction in the hose increases and a transport of the material is no longer possible evenly. Another disadvantage is the insufficient accuracy. Depending on how the material is supported in the guide, this results in a deviation of the transported length result. A major problem is flexible, easily compressible or kinking materials or materials with high coefficient of friction. A reliable conveyance of the materials is not possible with a Bowden extruder, or only to a limited extent.

Gerade bei sich ändernden Anforderungen wie z. B. unterschiedliches Material oder auch Änderungen der Druckgeschwindigkeit ist es wichtig, die Genauigkeit der Materialbeförderung zu verbessern sowie die Trägheit der bewegten Teile so gering wie möglich zu halten um dynamische Bewegungen auszuführen, ohne dabei Vibrationen ins Gestell abzuleiten. Bei Verwendung mehrerer Extruder auf einem Druckkopf ist es umso wichtiger die Masse und den Bauraum jedes einzelnen Extruders so gering wie möglich zu halten.Especially with changing requirements such. As different material or changes in printing speed, it is important to improve the accuracy of material handling and to keep the inertia of the moving parts as low as possible to perform dynamic movements, without deriving vibrations in the frame. When using multiple extruders on one print head, it is all the more important to keep the mass and space of each extruder as small as possible.

Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde einen Druckkopf zu schaffen, welcher die Vorteile eines direkt angetriebenen Druckkopfes und eines Bowden-Extruders kombiniert. Gleichzeitig sind die Nachteile der einzelnen Systeme zu vermeiden.The protection specified in claim 1 invention addresses the problem of providing a print head, which combines the advantages of a directly driven print head and a Bowden extruder. At the same time, the disadvantages of the individual systems should be avoided.

Das Problem wird mit den im Schutzanspruch (1) aufgeführten Merkmalen gelöst.The problem is solved with the protection claim (1) listed features.

Die Lösung besteht darin, einen formschlüssigen Antrieb so weit wie möglich an die Schmelzkammer zu bringen. Der formschlüssige Antrieb ist dabei so flexibel ausgeführt, dass dieser die Bewegungen des Druckkopfes nicht einschränkt und trotzdem eine genaue Beförderung des Materials garantiert. Es wird also das Drehmoment eines stationären Antriebes auf die Antriebswelle des Druckkopfes übertragen. Dabei entstehen aufgrund des Formschlusses zwischen stationären Antrieb und der Antriebswelle des Druckkopfes keine unterschiedlichen Bedingungen beim Transport des Materials. Ist der Antrieb so weit wie möglich an der Schmelzkammer, können auch sehr flexible und somit stauchbare Materialien zuverlässig in die Kammer befördert werden, ohne dabei zu knicken.The solution is to bring a positive drive as far as possible to the melting chamber. The form-locking drive is designed so flexible that it does not restrict the movements of the print head and still guarantees an accurate transport of the material. Thus, the torque of a stationary drive is transmitted to the drive shaft of the print head. In this case, due to the positive connection between the stationary drive and the drive shaft of the print head no different conditions arise during the transport of the material. If the drive is as close as possible to the melting chamber, even very flexible and therefore compressible materials can be reliably conveyed into the chamber without buckling.

Über den stationären Antrieb wird das formschlüssige Antriebselement am Druckkopf angetrieben. Beim formschlüssigen Antriebselement handelt es sich um eine Kugelkette mit fester Teilung. Durch ein flexibles Rohr wird die Kugelkette geführt und mit der Antriebswelle des Druckkopfes verbunden. Durch diese Maßnahme wird das Druckmaterial unweit vor der Schmelzkammer in den Druckkopf befördert. Durch die konstante Teilung kann eine präzise Beförderung des Materials garantiert werden. Jede Umdrehung am Antriebsrad des stationären Antriebes hat eine bestimmte Umdrehung am Antriebsrad des Druckkopfes zur Folge. Durch den Formschluss der Kugelkette entsteht dabei kein Schlupf und das Material wird zuverlässig in die Schmelzkammer befördert. Je nach Wirkdurchmesser der beiden Antriebsräder kann die Leistung des Druckkopfes den erforderlichen Anforderungen angepasst werden. Idealerweise kann dabei auf ein zusätzliches Getriebe verzichtet werden.The stationary drive drives the positive drive element on the print head. The positive drive element is a ball chain with a fixed pitch. Through a flexible tube, the ball chain is guided and connected to the drive shaft of the print head. By this measure, the printing material is conveyed not far before the melting chamber in the print head. Due to the constant pitch, a precise transport of the material can be guaranteed. Each revolution on the drive wheel of the stationary drive results in a certain revolution of the drive wheel of the print head. The positive connection of the ball chain creates no slippage and the material is reliably transported into the melting chamber. Depending on the effective diameter of the two drive wheels, the performance of the print head can be adapted to the required requirements. Ideally, it can be dispensed with an additional transmission.

Claims

Drive unit for printing head for conveying filament, granules, fluid or paste-like materials, characterized in that the drive power of a stationary drive can be transmitted to the print head without slippage, in order to realize a precise flow rate.

Drive unit for printing head for conveying filament, granular, fluid or paste-like materials according to claim (1), characterized in that it is the stationary drive wheel and the drive wheel on the print head to a transmission element with a fixed pitch.

Transmission element between the drive wheels with a fixed pitch according to one of the preceding claims, characterized in that the flexible transmission element (ball chain) is guided in a relatively rigid tube with the least possible play and low friction to any necessary Nachspannen the flexible transmission element ( Ball chain) during dynamic position change of the print head during operation to avoid.

Transmission element between the drive wheels with fixed pitch according to one of the preceding claims, characterized in that both metallic and non-metallic materials and also their combination can be used to obtain the necessary flexibility of the transmission element in each direction.

Transmission element between the drive wheels with fixed pitch according to one of the preceding claims, characterized in that heat-resistant and / or friction-optimized materials or material combinations can be used.

Transmission element between the drive wheels with fixed pitch according to one of the preceding claims, characterized in that the fixed pitch of the chain can be realized by a ball-like or other arbitrary geometry.

Transmission element between the drive wheels with fixed pitch according to one of the preceding claims, characterized in that the materials or material pairing of the materials used can be adapted to the requirement of high ambient or space temperatures accordingly.

Drive wheel on the print head according to one of the preceding claims, characterized in that the positioning of the drive wheel due to the compact space on the print head arbitrarily but ideally as close as possible to the melting chamber can be done to cause the smallest possible buckling of the material and a high precision of the delivery even at to achieve more flexible materials.

Printhead according to one of the preceding claims, characterized in that the necessary space for the print head can be minimized and thus no additional space required in the process of the print head.

Printhead according to one of the preceding claims, characterized in that by eliminating the direct drive when using a dual or multiple extruder, the two or more hot ends can be arranged space-saving and thus the print area is better utilized.

Printhead according to one of the preceding claims, characterized in that the necessary space for the printhead can be kept relatively small and thus no high inertia must be moved dynamically.

Printhead according to one of the preceding claims, characterized in that the filament, granules, fluid or paste-like material can be conveyed precisely in both directions by the fixed pitch and thus slip-free transmission of the drive power.

Printhead according to one of the preceding claims, characterized in that the filament, granules, fluid or paste-like material can be conveyed controlled from the hot end in order to avoid excess material in the exit region of the nozzle when terminating the track.

Printhead according to one of the preceding claims, characterized in that high ambient or installation space temperatures by the possibility of locally separate drive motor, exert no influence on the drive motor and damage this or thermally heat.

Printhead according to one of the preceding claims, characterized in that filament, granules, fluid or paste-like material and their mixture can be processed with and among each other.