EP4308366A1 - Druckkopf für einen 3d-drucker und verfahren zum betreiben eines druckkopfes - Google Patents

Druckkopf für einen 3d-drucker und verfahren zum betreiben eines druckkopfes

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Publication number
EP4308366A1
EP4308366A1 EP22713415.2A EP22713415A EP4308366A1 EP 4308366 A1 EP4308366 A1 EP 4308366A1 EP 22713415 A EP22713415 A EP 22713415A EP 4308366 A1 EP4308366 A1 EP 4308366A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
melt
zone
nozzle
print head
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22713415.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hendrik JAHNLE
Chris NICKELS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4308366A1 publication Critical patent/EP4308366A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]

Definitions

  • the present invention relates to a print head for a 3D printer and a method for operating a print head.
  • a 3D printer for a viscosity-changing material receives a solid phase of this material as a starting material, creates a liquid phase from it and applies this liquid phase selectively to the locations that belong to the object to be created.
  • Such a 3D printer includes a print head in which the starting material is prepared ready for printing. Furthermore, means are provided for generating a relative movement between the print head and the work surface on which the object is to be created. Either only the print head, only the work surface or both the print head and the work surface can be moved.
  • the printhead has a first operational condition in which it ejects liquid material and a second operational condition in which it does not eject liquid material.
  • the second operating state is assumed, for example, when a different position on the work surface is to be approached and no material is to be discharged on the way there. It is possible to switch between the two operating states of the print head, for example, by switching the advance of the solid starting material on or off.
  • FDM fused deposition modeling
  • a filament from the starting material is melted in an electrically heated extruder nozzle and applied in layers to a platform. In the form of such a filament, the starting material is very expensive.
  • US 2016/082 627 A1 proposes feeding in the starting material in granular form and conveying it with a screw conveyor to a heated zone, from which it emerges in plasticized form.
  • granules are significantly cheaper, and on the other hand, mixtures of different thermoplastic materials can be easily produced in this way.
  • a print head is known from DE 102016222306 A1, in which a granulate is plasticized via a piston and a heated segment.
  • the piston presses on the granules they are compacted and conveyed to a plasticizing zone at the bottom of the printhead.
  • forces occur which place a great deal of stress on the piston and a cylinder wall of the print head and can lead to increased wear on the cylinder wall of the print head housing.
  • a complex melting geometry with a thermal conduction structure is disclosed, which introduces the heat output of a heating element into the plasticized material in order to bring it into a liquid phase of the material.
  • the object of the invention is to provide a compact print head for a 3D printer that enables high dynamics and a stable printing process, as well as a method for operating the print head.
  • a print head for a 3D printer was developed.
  • a method for operating a print head has also been developed.
  • the print head for a 3D printer comprises an actuator device arranged in a housing of the print head for controlling a piston, a feed device for a printable material, a housing and the Feeding device arranged flange with a cooling device, a nozzle head with heating elements for converting the material from a solid phase through a plastic phase into a liquid phase and a nozzle for dispensing the liquid phase of the material from the nozzle head.
  • a kidney piece is arranged on a lower partial area of a separate piston bushing, the kidney piece having a centrically running bore for receiving a piston needle of the piston and the kidney piece having concentrically arranged openings which provide a fluidic connection between a cavity arranged in the piston bushing and a form a melt chamber arranged in a lower part of the nozzle head.
  • the actuator device for controlling the piston can be an electric motor, for example with a mechanical transmission, or a hydraulic drive with a hydraulic pressure source.
  • An electric motor as an actuator device has a lower weight than a hydraulic drive and thus advantageously ensures high dynamics for the entire printer and the printing process, since less mass has to be accelerated.
  • a hydraulic drive advantageously achieves high forces when driving the piston.
  • the feed device for the printable material can be provided in particular as a feed for a material present as a granulate or starting material.
  • the starting material can in particular be a thermoplastic material.
  • pellets as a feedstock provides specific advantages over printheads using filaments of thermoplastic material, particularly in the cost of printer feedstock.
  • the print head according to the invention can be built more compactly. This in turn means that the print head is lighter and easier to move. This is particularly advantageous when the print head is very is to be moved quickly, in particular at speeds of 100 mm/s or more.
  • the flange includes a cooling device, as a result of which optimized thermal management is achieved in the area of the feed device, so that the material or the granules can advantageously be prevented from sticking to the piston.
  • the nozzle head has heating elements for converting the material from a solid phase, in particular granules, into a liquid phase. The heating elements in the nozzle head ensure that the heating power is applied in a targeted manner to the material to be melted. The liquid phase or melt can then be discharged through the nozzle of the nozzle head by a piston movement.
  • the separate piston bushing for guiding the piston allows the piston to be guided directly in the piston bushing and no longer in the housing or a cylinder of the print head. In this way, it is achieved in an advantageous manner that possible wear no longer occurs directly on the inner wall of the housing or the cylinder, but rather inside the piston sleeve.
  • the piston sleeve as a separate component offers the advantage that it can be replaced if necessary.
  • pistons and piston bushes that are matched to one another can be used with different diameters without further structural changes, for example on the flange and the nozzle head.
  • the piston bushing has an upper part that projects into the flange and a lower part that projects into the nozzle head.
  • the upper partial area is arranged in the active area of a cooling zone of the cooling device of the flange and the lower partial area is arranged in the active area of a heating zone of the nozzle head, which advantageously achieves effective energy dissipation from the material within the cooling zone or effective energy supply into the material within the heating zone becomes.
  • an opening or an opening cross-section is arranged, which allows the supply of material from the Feeding device allows in the piston sleeve.
  • a gate formed at an obtuse angle to the inner surface of the piston sleeve.
  • the area of the gate is hardened, or alternatively designed as a separate hardened insert.
  • the piston sleeve has a stop between the upper and lower sections, by which the flange and the nozzle head are separated from one another.
  • the piston bushing and in particular the stop thus advantageously separates the cooled flange from the heated nozzle head, as a result of which they are not in contact with one another.
  • the piston comprises a first piston part for connection to the actuator device, a piston head for connection to the first piston part and for accommodating the piston needle.
  • the first piston part is preferably designed as an aluminum hollow piston, as a result of which coolant can be conducted through the first piston part and piston cooling is thereby advantageously achieved.
  • the piston head has an underside on the side facing the nozzle, with the piston needle protruding from the center of the underside.
  • the area of the bottom of the piston head minus the virtual area of the piston needle forms a piston area for creating a pressure on the material.
  • the underside of the piston head is also cooled by the piston cooling and thereby locally reduces the viscosity of the melt or the plastic material on the piston crown.
  • a temperature sensor is preferably attached to the underside of the piston head or to the piston head. This arrangement of the temperature sensor enables thermal management of the print head depending on the piston position, which means that the material heats up more quickly without the melt coming into contact with the underside of the piston head. As a result, an acceleration of a filling process of the print head can be achieved in an advantageous manner.
  • the piston head is designed as a cylindrical component and is preferably made from a thermally resistant material.
  • the combination that the first piston part is made of aluminum and the piston head is made of steel, for example, has proven to be advantageous because the piston has an elastic upper area to absorb the mechanical stresses and a thermally resistant lower area in the area of the heated material .
  • the plunger needle protrudes only partially or completely through the bore of the kidney piece, as a result of which the plunger needle is advantageously guided in the central bore of the kidney piece.
  • the cavity is located within the plunger sleeve and is defined by a volume whose outer surface is formed by the inside of the plunger sleeve, the outside of the plunger needle, the top of the kidney piece and the bottom of the plunger.
  • the material or the granulate is compressed by moving the piston over the underside of the piston head or the piston surface.
  • the thermal management of the print head is set in such a way that no liquid phase of the material or no melt forms within the cavity, but the material is formed as a plastic phase. This advantageously ensures that no plasticized material adheres to the underside of the piston.
  • part of the liquid phase or melt in the melt space is pushed out of the melt space into the cavity by the piston needle penetrating into the melt space through the concentrically arranged openings of the kidney piece the piston sleeve pressed. In the process, parts of the melt mix with parts of the plastic phase.
  • the melt releases energy into the plastic phase, which advantageously produces a more homogeneous material.
  • the kidney piece thus forms a mixer, or a static mixer, since, apart from the piston movement, no further moving parts are advantageously required for mixing the plastic phase with the liquid phase.
  • the configuration of the kidney piece thus advantageously ensures a diaphragm effect, which leads to better mixing of the material or the melt with the plasticized material.
  • the kidney piece conducts the heating energy of the heating element from the nozzle head both into the melt and into the plunger needle, which advantageously ensures improved energy management when heating up the melt.
  • the kidney piece can be designed as a separate component or, in a second embodiment, can be designed in one piece with the piston bushing.
  • the nozzle is closed during a compression process to produce the liquid phase of the material and the plunger needle is immersed in the melt space in such a way that part of the liquid phase flows back from an upper area of the melt space through the openings in the kidney piece into is displaced into the cavity of the piston sleeve, whereby the displaced part of the liquid phase mixes with the plastic phase in the cavity (40).
  • the melt releases energy into the plastic phase, which advantageously produces a more homogeneous material.
  • the mixing takes place in a mixing zone of the print head, the mixing zone with the components arranged in it forming a mixer during the compression process, since advantageously no other moving parts are required to mix the plastic phase with the liquid phase apart from the piston movement during compression.
  • the piston rests in a holding position and the mixing described above takes place without any movement of the components. Therefore, during the holding process of the compression process, the mixing zone can also be referred to as a static mixer.
  • the print head has different state zones, starting from an upper section of the piston sleeve via the kidney piece to the nozzle, with the state zones representing an aggregate state of the material depending on its temperature Ts.
  • the state of aggregation of the material can be changed across the state zones from a solid phase to a plastic phase to a liquid phase.
  • the state zones of the print head include a cold zone with solid phase material, a plasticizing zone with plastic phase material, a melt zone and a process zone with liquid phase material each, and a mixing zone with plastic and liquid phase material.
  • the cooling device in the flange and the piston cooling integrated in the piston are designed to keep the temperature Ts of the plastic phase of the material in the plasticization zone below a glass transition temperature Tg , above which the material would plasticize and go into a liquid phase.
  • the fully plasticized phase has a tough, sticky consistency with a high tendency for surface adhesion. If the plunger comes into contact with this phase, it can stick to it, which, for example, prevents fresh granules from trickling in when the plunger is pulled back. This effect is advantageously avoided.
  • the nozzle head includes two heating zones.
  • a partial area of the plasticizing zone, the mixing zone and a partial area of the melting zone are arranged in the first heating zone, with a first heating element being arranged in the upper nozzle head in such a way that the heating energy from the first heating element is transmitted via the lower partial area of the piston sleeve, the Kidney piece and a section of the upper nozzle head can be introduced into the material.
  • the heating energy can be introduced from the first heating element via the kidney piece into the plunger needle inside the bore.
  • the contact of the plunger needle within the bore also ensures that the plunger needle is heated, which advantageously results in an acceleration of the melt temperature to the required process temperature.
  • a partial area of the melt zone and the process zone are arranged in the second heating zone, with a second heating element being arranged in the lower nozzle head in such a way that the heating energy from the second heating element can be introduced into the liquid phase of the material via the lower nozzle head.
  • the arrangement of the two heating zones in the nozzle head ensures more effective thermal management of the print head, since the heating energy of the first heating zone ensures advantageous pre-plasticization of the material without the material going into the liquid phase. This advantageously ensures that the piston does not stick during compression and the print head functions properly. This effect is optimized in interaction with the cooling device in the flange. Furthermore, the material is pre-plasticized in the plastic phase in such a way that the actuator device requires less effort when advancing the piston, as a result of which smaller actuators can advantageously be used to advance the piston. This reduces the cost of the system and leads to improved dynamics of the print head, since the weight of the print head is reduced. As a result, the print head can be better accelerated and decelerated during a so-called path control for the production of a component.
  • the melt is produced in the second heating zone and the heating energy introduced ensures a relatively constant melt temperature over the entire melt space.
  • the melt temperature can be regulated within the second heating zone in such a way that the material does not heat up too much.
  • fission products are formed as a result of excessive thermal stress, primarily gases, which, due to the pressures prevailing in the system, cause a further Accelerate the decomposition of the material and also directly affect its quality negatively.
  • the nozzle is closed and the piston needle is immersed in the melt space in such a way that parts of the liquid phase from the upper area of the melt space flow through the openings of the Kidney piece from the melting zone are displaced back into the mixing zone, whereby the parts of the liquid phase from the melting zone mix with the plastic phase from the plasticizing zone in the mixing zone.
  • the melt releases energy into the plastic phase, which advantageously produces a more homogeneous material.
  • the mixing zone together with the components arranged in it, forms a mixer or a static mixer during the compression process, since, apart from the piston movement, advantageously no further moving parts are required for mixing the plastic phase with the liquid phase.
  • a pressure sensor for the pressure pi_ and/or a temperature sensor for the temperature TL of the liquid phase are arranged in the melt space.
  • the measurement of the pressure pi_ is the primary parameter that decides on the output or discharge or mass flow of melt from the outlet opening.
  • An additional measurement of the temperature TL makes it possible to also take into account the temperature dependence of the viscosity of the material when determining the mass flow Q.
  • the amount to be metered can be precisely controlled by the piston feed.
  • the control of the temperature TL in particular in the form of constant and precise regulation, is even more important in order to avoid thermal degradation of the material.
  • a path measuring system for the position s of the piston and/or a sensor for the force F exerted by the piston on the material or for a hydraulic pressure PH exerted on the piston is provided on the actuator device and/or on the piston.
  • the advance of the piston is a measure of the amount of material to be discharged. This quantity can be controlled, among other things, via the position measuring system.
  • the force F correlates directly with the pressure in the material.
  • a temperature sensor for the temperature TK of the plastic phase of the material can be arranged on the piston, in particular on the underside of the piston head of the piston.
  • This arrangement of the temperature sensor enables thermal management of the print head depending on the piston position, which means that the material heats up more quickly without the melt coming into contact with the underside of the piston head.
  • an acceleration of a filling process of the print head or a reduction in the time required for the filling process can be achieved in an advantageous manner.
  • a control and regulation unit can be provided for active regulation of the actuator device for moving the piston according to an operating strategy to be executed for filling and printing and for active regulation of the temperatures of the heating elements of the nozzle head.
  • an evaluation unit can be provided, which is designed to evaluate the measured values of the sensors and to forward the results to the control and regulation unit for active regulation of the actuator device and for active regulation of the heating elements.
  • the functionality of the print head can be checked by detecting and evaluating the sensor values as a function of the respective operating states, as a result of which errors or deviations in the process can advantageously be displayed at an early stage.
  • defined target values can be controlled by detecting the sensor values. It is also possible for correction factors to be calculated and transmitted to the control and regulation unit. These can be added to the target values, for example, in order to advantageously achieve a desired and constant output of the melt from the nozzle.
  • the active regulation of the heating elements enables a dynamic regulation of the temperature, which advantageously influences both the heating and the cooling. If, for example, the heating energy of the first heating element is reduced by the control and regulation unit, the cooling in the flange continues and this withdraws the energy from the plastic phase of the material, causing it to cool down abruptly.
  • the invention also relates to a method for operating the print head according to the invention, the method comprising the following steps:
  • At least the closing, the compression, the conversion and the application can be carried out by an active regulation of the actuator device by the control and regulation unit, with the results of the evaluation unit from the measured values of the sensors being forwarded to the control and regulation unit.
  • the compression process includes the following steps:
  • the pre-compacting is carried out by force or pressure-controlled actuation of the piston by the actuator device, with the target position of the piston head being in the first third of the plasticizing zone, starting from the cold zone.
  • the granules are compressed in the plasticizing zone by the advance of the piston, while at the same time there is melt in the melt zone between the cavity and the nozzle.
  • the plasticized granules are thereby pressed into the melt in the mixing zone.
  • melt is already emerging from the nozzle, as a result of which it is advantageously achieved that any air or air pockets that may still be present are displaced from the nozzle head. This will free the nozzle.
  • the nozzle of the print head is closed.
  • the piston is advanced under pressure control by the actuator device until a defined peak pressure and thus a peak pressure position is reached.
  • the nozzle is closed and the plunger needle dips into the melt space in such a way that part of the liquid phase flows out of the upper area of the melt space through the openings in the kidney piece from the melt zone back into the mixing zone is displaced, whereby the part of the liquid phase mixes with the plastic phase from the plasticizing zone in the mixing zone.
  • peak print position is then held for a material-dependent, predefined period of time, which is why the peak print position is also the hold position of the print head.
  • the nozzle is closed while the piston is being held in the holding position and the piston needle is in such a way in the immersed in the melt space so that part of the liquid phase from the upper area of the melt space is forced back into the mixing zone through the openings of the kidney piece from the melt zone, as a result of which part of the liquid phase mixes with the plastic phase from the plasticizing zone in the mixing zone.
  • the holding process forces out residual air and the melt is homogenized in mixing zone C. As a result, a better flow of energy is advantageously achieved and a more homogeneous material is produced.
  • the melt that flows back becomes plastic and the granulate parts, which are pushed into the kidney piece, become molten. This creates a mixing of the material.
  • the holding process described here is also advantageously used for analysis and for a system check of the print head, since the following effects can result when the pressure is measured.
  • An increase in the pressure in the melt would mean that the melt would outgas, for example because the temperature of the melt is too high. Melt temperatures that are too high are not desirable, since air plasma can form, which would lead to chemical decomposition.
  • a sharp drop in melt pressure could mean, for example, that the print head system is leaking or that there was still too much air in the system. This effect could occur if, for example, there was too much cold material in the cavity because the temperature management of the print head was not set optimally.
  • the method advantageously makes it possible to achieve a constant web thickness that remains the same from the first drop.
  • the evaluation unit can either be designed separately from the control and regulation unit or be integrated into it.
  • Figure 1 shows a print head according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of the printhead of the present invention.
  • FIG. 4 shows a flow chart of a method according to the invention for operating the print head according to the invention
  • FIG. 5 shows a section of the print head according to the invention with a pressure curve
  • Fig. 6 different positions of a piston of the print head according to the invention.
  • FIG. 7 shows a flow chart of a compression process of the method according to the invention for operating the print head according to the invention.
  • a print head 100 for a 3D printer comprising an actuator device 110 arranged in a housing 1 of the print head 100 for controlling a piston 3, a feed device 2 for a printable material 10, a flange arranged on the housing 1 and the feed device 2 5 with a cooling device 50, a nozzle head 6 with heating elements 61, 63 for converting the material 10 from a solid phase 10 via a plastic phase 11 into a liquid phase 12 and a nozzle 8 for dispensing the liquid phase 12 of the material 10 from the nozzle head 6.
  • the print head 100 comprises a separate piston bushing 4 for guiding the piston 3.
  • the piston 3 comprises a first piston part 31 for connecting the piston 3 to the actuator device 110, a piston head 34 which is attached to the first piston part 31 and accommodates a piston needle 32 in the direction of the nozzle 8.
  • a temperature sensor 36 for measuring the temperature TK of the plastic phase 11 of the material is arranged on the piston 3 or on an underside 35 of the piston head 34 .
  • the underside 35 of the piston head 34 forms a piston head 35.
  • the first piston part 31 is preferably designed as an aluminum hollow piston, with this having a cavity on the inside which is designed as a cooling channel.
  • a piston cooling system 33 is arranged at the lower end of the first piston part 31 and is cooled by a coolant system.
  • the piston cooling 33 ensures that the material 11, 12 solidifies on the piston head 35 and thereby seals the piston 3 in the direction of the actuator device 110, or thereby prevents liquid melt 12 from flowing in the direction of the actuator device 110.
  • a cooling liquid is preferably used as the coolant , whereby this is conveyed via connections and flexible lines through the housing 1 into a cooling connection 37 of the first piston part 31 .
  • the cooling device 50 in the flange 5 is supplied with coolant by the same coolant system.
  • the feed device 2 is funnel-shaped, with the material 10, which is preferably a granulate, being filled into an opening of the feed device 2 from above.
  • the material 10 reaches an opening 21 or an opening cross section to the piston bushing 4 by gravity.
  • an air duct 20 is arranged in the lower region of the feed device 2 above the opening. This is acted upon by a pneumatic valve 22 with air pulses.
  • the pneumatic valve 22 and the air duct 20 form an injection device which subjects the granulate 10 to blasts of air at intervals in such a way that the granulate is thrown in the direction of the area of the feed device 2 that is further up, thereby separating the individual granulate pieces 10 from one another.
  • the air flow is switched off, the granules 10 located in the lower area of the feed device 2 fall into the piston bushing 4 when the opening cross section 21 is open.
  • the injection device of the feed device 2 thereby prevents the granulate pieces 10 from jamming, thereby preventing the feed device 2 from becoming clogged, and it ensures that the piston sleeve 4 is reliably filled with granulate 10. Furthermore, smaller diameters can be used in the inlet of the feed device 2.
  • the process of refilling requires the granules 10 to be back-blown, which creates an effect of lifting the granules so that they then slide into the printhead 100.
  • the whirling up is necessary for automated use and the granulate 10 slides down due to the resulting gravitational impulse or impact.
  • the piston bushing 4 has an upper subarea 41 protruding into the flange 5 and a lower subarea 42 protruding into an upper subarea 60 of the nozzle head 6 .
  • a stop 43 is arranged between the upper 41 and lower 42 partial area of the piston sleeve 4, by means of which the flange 5 and the nozzle head 6 are separated from one another.
  • the opening 21 or the opening cross section is arranged in the upper partial area 41 of the piston bushing 4 and has a cut 44 on the inner surface of the piston bushing 4 .
  • the gate 44 causes when closing the opening cross section 21 by the piston 3 granules 10 between the gate 44 and the Piston head 35 is sheared off until the piston head 35 has reached a position below the gate 44 .
  • the piston sleeve 4 has an obtuse angle at the gate 44, which is sharp-edged and hardened. Local hardening is advantageous here.
  • the cut 44 can also be formed by a separate insert, analogous to a turning plate.
  • the design of the gate 44 advantageously ensures a reduction in the forces required to shear off the granules 10, as a result of which energy can be saved and the materials of the piston sleeve 4 and the piston 3 are less susceptible to wear.
  • the edge of the cut 44 is extremely susceptible to wear.
  • a kidney piece 7 is arranged on the lower partial area 42 of the piston sleeve 4, with the kidney piece 7 having a centrally running bore 70 for receiving a piston needle 32 of the piston 3 and the kidney piece 7 having concentrically arranged openings 71 which provide a fluidic connection between an in of the piston bushing 4 and a cavity 40 arranged in a lower part 62 of the nozzle head 6 .
  • the cavity 40 is arranged within the piston bushing 4 and is formed by the inside of the piston bushing 4, the outside of the piston needle 32, the top of the kidney piece 7 and the bottom 35 of the piston 3.
  • a preferred task of the kidney piece 7 is the conduction of heat or energy transfer from the heating elements 61, 63 of the nozzle head 6 into the liquid phase 12 of the material or the melt 12. This is achieved in particular by increasing the contact area with the cavity 40 and thus the plastic phase 11 of the material is reached.
  • Another task is to guide the piston needle 32, the contact of the piston needle 32 within the bore 70 also ensuring that the piston needle 32 is heated to the required process temperature.
  • the heating energy from the first heating element 61 can be introduced into the plunger needle 32 within the bore 70 via the kidney piece 7 .
  • the final process temperature is only reached in the nozzle head 6 towards the nozzle 8 .
  • the nozzle 8 is closed if necessary and when the piston 3 is activated by the actuator device 110, the material 10, 11, 12 located in the cavity 40 and melt space 81 is compressed by the piston advance.
  • the nozzle 8 is closed and the plunger needle 32 is immersed in the melt chamber 81 in such a way that part of the liquid phase 12 flows out of an upper region of the melt chamber 81 through the openings 71 of the kidney piece 7 is displaced back into the cavity 40 of the piston sleeve 4, as a result of which the displaced part of the liquid phase 12 mixes with the plastic phase 11 in the cavity 40.
  • the nozzle head 6 comprises the heating elements 61, 63 of the print head 100, a first heating element 61 being arranged in the upper nozzle head 60 and a second heating element 63 being arranged in the lower nozzle head 62.
  • the upper nozzle head 60 has a section 64 which is arranged between the upper 60 and the lower 62 nozzle head and on which the kidney piece 7 rests.
  • a cooling ring 84 is arranged on the nozzle head 6 in the area of the nozzle 8 . This cools the component to be printed and thermally shields the component from the print head 100 .
  • the heating elements 61, 63 in the nozzle head 6 heat the material 10, 11, 12 within the cavity 40, the kidney piece 7 and the melt chamber 82 until the liquid phase 12 of the material has reached its process temperature and can be discharged from the nozzle 8.
  • the melt chamber 82 is designed in such a way that it tapers from the partial section 64 of the upper nozzle head 60 to the nozzle 8 .
  • the conical inlet of the melt space 81 enables an increase in the volume flow and prevents the material from being deposited on the inner wall of the nozzle head 6. Because there is less material 12 or volume in a conical melt space 81 in relation to a cylindrical melt space 81, the mixing process is further optimized. As a result, the piston needle 32 has to displace less volume in order to push parts of the melt 12 through the openings 71 of the Kidney piece 7 pushed back out of the melt space 81 into the cavity 40 .
  • the print head 100 comprises further sensors, a pressure sensor 83 for the pressure pi_ and a temperature sensor 82 for the temperature T L of the liquid phase 12 of the material being arranged in the melt chamber 81 .
  • Further sensors are arranged on the actuator device 110, with a path measuring system 111 for the position s of the piston 3 and a sensor 112 for the force F exerted by the piston 3 on the material 10, 11 or for a hydraulic pressure P H exerted on the piston 3 , are provided.
  • the sensors 111, 112 can also be arranged on the piston 3 of the print head 100.
  • Fig. 2 shows a section of the print head 100 according to the invention in a view rotated by 90°, starting from the upper partial area 41 of the piston sleeve 4 via the kidney piece 7 to the nozzle 8, status zones A, B, C, D, E of the material 10 , 11, 12 filled print head 100 are shown during operation.
  • the state zones A, B, C, D, E represent a state of aggregation of the material 10 depending on its temperature Ts, the state of aggregation of the material 10 over the state zones A, B, C, D, E of a solid phase 10 over a plastic phase 11 can be changed into a liquid phase 12.
  • the temperature Ts or the temperature profile of the material 10, 11, 12 within the print head 100 is shown in a diagram displayed above the print head 100, this being displayed over the path s or the length of a working area 120 of the print head 100.
  • the state zones A, B, C, D, E of the print head 100 include a cold zone A with material in the solid phase 10, a plasticizing zone B with material in the plastic phase 11, a melting zone D and a process zone E, each with material in the liquid phase 12 Further, the conditioning zones include a mixing zone C with plastic 11 and liquid 12 phase material.
  • the cooling device 50 in the flange 5 and the piston cooling 33 integrated in the piston 3 are provided in order to keep the temperature Ts of the plastic phase 11 of the material in the plasticization zone B below a glass transition temperature T g from which the material 11 plasticizes and into a liquid phase 12 passes.
  • the plasticization zone B with the material in the plastic phase 11 describes in the embodiments shown here a state of the material or the granules in which the viscosity of the granules is already changing, whereby a compression and a mixing process are optimized, but the plastic phase continues 11 of the granules just not yet in the liquid phase 12 over.
  • the nozzle head 6 comprises two heating zones 65, 66.
  • a partial area of the plasticizing zone B, the mixing zone C and a partial area of the melting zone D are arranged in the first heating zone 65, with a first heating element 61 being arranged in the upper nozzle head 60 in such a way that the heating energy from the first heating element 61 passes over the lower partial area of the piston sleeve 42 , the kidney piece 7 and a section 64 of the upper nozzle head can be introduced into the material 10, 11, 12.
  • a partial area of the melt zone D and the process zone E are arranged in the second heating zone 66, with a second heating element 63 being arranged in the lower nozzle head 62 in such a way that the heating energy from the second heating element 63 can be introduced into the liquid phase 12 of the material via the lower nozzle head 62 is.
  • the temperature Ts of the material 10, 11, 12 increases steadily over the path s of the working area 120 of the print head 100.
  • the effect of the cooling device 50 of the flange 5 is predominant, as a result of which the granulate 10 is only slowly heated over the path s.
  • the influence of the first heating zone 65 with the first heating element 61 begins to increase, with the temperature curve rising sharply until the glass transition temperature T g is reached, and from there the mixing zone C begins.
  • the temperature Ts continues to increase in the mixing zone C with a lesser gradient until the melting zone D is reached.
  • the zone of influence of the second heating zone 66 begins there with the second heating element 63, this greatly increasing the temperature Ts of the melt 12 can rise until the process temperature of the melt 12 is reached in the process zone E and printable melt 12 is formed.
  • the temperature Ts must be set so that the granulate 10 can trickle into the cavity 40 during filling without sticking but is also preheated in such a way that the material 10, 11 can be sheared off at the cut 44 with as little effort as possible.
  • the temperature management of the print head 100 is adjusted in such a way that the cooling device 50 in the flange 5 introduces a cooling temperature of approx approx. 30°C below the glass transition temperature T g , or the melting temperature of the material 10, 11, 12.
  • the temperature sensor 36 on the piston head 35 measures the temperature TK at the point of contact between the piston 3 and the material 10, 11, whereby the cooling and heating capacity of the print head 100 can be calculated so that the glass transition temperature T g of the material 10 is not exceeded. Due to the arrangement of the temperature sensor 36 or temperature sensor on the piston head 35, it is possible to regulate the heating elements 61, 63 as a function of the piston position and thus to set the temperature Ts. As a result, the material 11, 12 is heated up more quickly. The thermal management of the print head 100 also enables processing of plastics with a low melting temperature of less than 60 to 80°C.
  • the nozzle 8 is closed.
  • the nozzle 8 can be closed, for example, by a non-illustrated shut-off valve, or by positioning the print head 100 on a plate in the printer's installation space. Furthermore, an area that has already been printed can also be Component 9 are approached and the nozzle 8 are thereby closed.
  • the piston needle 32 is immersed in the melt chamber 81 and moves further into it in such a way that part of the liquid phase 12 is displaced from the melt zone D back into the mixing zone C, as a result of which the part of the liquid phase 12 mixed with the plastic phase 11 from the plasticizing zone B.
  • the liquid phase 12 from the melt zone D is thereby displaced from the upper area of the melt space 81 through the openings 71 of the kidney piece 7 back into the cavity 40 of the piston sleeve 4 in the mixing zone C.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of the print head 100 according to the invention with a control and regulation unit 113 for active regulation of the actuator device 110 for moving the piston 3 and an evaluation unit 114, which is designed to measure the measured values of the sensors 36, 82, 83, 111, 112 to evaluate and to forward the results to the control and regulation unit 113 for active regulation of the actuator device 110 and for active regulation of the heating elements 61, 63.
  • the control and regulation unit 113 is provided for active regulation of the actuator device 110 for moving the piston 3 according to an operating strategy to be executed for filling and printing and for active regulation of the temperatures of the first 61 and second 63 heating elements.
  • the sensor signals received by the evaluation unit 114 and the results calculated from the respective values are decisive for the active regulation of the actuator device 110 .
  • the pressure sensor 83 for the pressure pi_ and the temperature sensor 82 for the temperature T L of the liquid phase 12 are arranged in the melt space 81 .
  • the displacement measuring system 111 for the position s of the piston 3 and the sensor 112 for the force F exerted by the piston 3 on the material 10, 11 or for a hydraulic pressure P H exerted on the piston 3 are on the actuator device 110 or on the piston 3 arranged.
  • the temperature sensor 36 for the temperature TK of the plastic phase 11 of the material is arranged on the piston 3 .
  • the signals s, F, PH, TK, TL, PL of the sensors 111, 112, 36, 82, 83, represented by dashed arrows, are transmitted to the evaluation unit 114, then evaluated in this or in a cloud and the results according to an operating strategy as Control variable i is transmitted to the control and regulation unit 113 and the actuator device 110 and the heating elements 61, 63 are controlled accordingly.
  • FIG. 4 shows a flow chart of a method 200 according to the invention for operating the print head 100 according to the invention, the method 200 comprising the following steps:
  • At least the closing 220, the compression 230, the conversion 240 and the application 250 of the method 200 are carried out by an active regulation of the actuator device 110 by the control and regulation unit 113, the results of the evaluation unit 114 being based on the measured values of the sensors 36, 82 , 83, 111, 112 are forwarded to the control and regulation unit 113.
  • FIG. 5 shows a section of the print head 100 according to the invention and two diagrams 5a, 5b, which show a pressure or pressure or force curve during operation or various method steps of the method 200 for operating the print head 100.
  • Fig. 6 shows the different positions of the piston 3 for the various process steps or States from Fig. 5 beginning at the starting position 3a to the end position 3z of the piston head 35.
  • the cooling devices 50, 33 in the flange 5 and piston 3, as well as the heating elements 61, 63 are active and the melt space 81, as well as the Kidney piece 7 are filled with melt 12 and in the lower part of the cavity 40 there is still granulate in the plastic phase 11.
  • the sections of the print head 100 shown correspond to those of the print head 100 according to the invention shown in Figs. 1 to 3, so that the reference numbers of the previous figures are used to describe Figures 5 and 6, with new features and references, for example the respective position of the piston 3 in relation to the piston head 35 in FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 5 shows two curves which are plotted against the path s covered by the piston 3.
  • the path s is measured by the path measuring system 111 or path sensor 111 on the actuator device 110 or on the piston 3 .
  • the upper curve represents a force, pressure curve for the force F exerted by the piston 3 on the material 10, 11 or for the hydraulic pressure PH exerted on the piston 3 during the advance of the piston 3 by the actuator device 110 during closing 220 and compression 230 , wherein the force or pressure sensor 112 is arranged on the actuator device 110 or on the piston 3 .
  • the lower curve in diagram 5a represents a pressure profile of the melt pressure PL in the melt chamber 81 over the path s of the piston 3 during compression 230.
  • the pressure sensor 83 for the pressure pi_ of the liquid phase 12 or the melt 12 is arranged in the melt chamber 81 .
  • the second diagram 5b shows a partial section of the lower curve of the first diagram 5a, with the pressure profile of the melt pressure pi_ in the melt chamber 81 being shown here over the path s of the piston 3 during compression 230 (curve profile from p c to p d ).
  • 6a shows a starting position 3a of the piston 3 during the filling process 210 of the print head 100, the piston head 35 being positioned at the top of the opening 21 of the piston sleeve 4.
  • the filling process 210 is also called the refill process, since it is a recurring sequence that is repeated as desired while a component 9 is being pressed.
  • the position of the piston 3 shown in FIG. 6a is analogous to the position of the piston 3 from FIG Piston sleeve 4 are introduced.
  • the piston 3 is then controlled by the actuator device 110 into the position 3b shown in FIG. 6b.
  • the piston head 35 slides past the gate 44 of the piston sleeve 4 and the granules 10 protruding from the opening 21 into the cavity 40 are sheared off between the piston head 35 and the gate 44 . Therefore this position is called shearing position 3b. After shearing off, the opening cross section 21 is closed 220.
  • the force and pressure profile F, P H increases from the starting position 3a to the shearing position 3b, with the force exerted by the actuator device 110 being highest at the gate 44 or at the shearing position 3b, since the actuator device 110 generates the force to shear off the granulate 10 must raise.
  • the effort required can be reduced by suitable measures such as optimizing the gate geometry in connection with the nature of the piston head 35 and preheating the granulate 10 .
  • the pressure profile pi_ of the melt 12 changes only slightly or hardly increases, since the nozzle 8 is still open and no pressure builds up in the melt space 81 .
  • the piston 3 is then moved under force or pressure control by the actuator device 110 to the position 3c.
  • the force F exerted on the material or granules 10, 11 or the hydraulic pressure P H exerted on the piston 3 and the pressure pi_ in the melt 12 are measured.
  • the material 10, 11, 12 is pre-compacted.
  • the position 3c is defined by the increase in force or pressure, ie the position 3c is activated, whereby no direct point but an edge of the curves shown in diagram 5a is activated.
  • the flank arises a changeover point pi_ c , F c , PH C from the straight line with little or no gradient (the area from position 3a to position 3c) to the rise of the curve (at position 3c), at which a predefined gradient or a predefined pitch angle is reached and/or exceeded.
  • the position 3c is in the first third of the plastification zone B.
  • the granules 10, 11 are compressed in the plastification zone B by the advancement of the piston 3, with melt 12 being located in the melt zone D between the cavity 40 and the nozzle 8 at the same time.
  • the plasticized granules 11 are thereby pressed into the melt 12 in the mixing zone C.
  • melt 12 is already emerging from the nozzle 8, which means that any air or air pockets that may still be present are displaced from the nozzle head 6. As a result, the nozzle 8 is free.
  • the position 3c is provided with a tolerance due to the method and material, as a result of which the position 3c of the piston 3 can be slightly different in different filling processes of the print head 100 that are carried out one after the other.
  • the position 3c is therefore not a fixed point. If the position 3c is within the specified tolerance, it is ensured that the filling process 210 was successful, ie that enough granules 10 were filled into the cavity 40 and that the melt space 81 is already filled with melt 12 . For example, if the flank begins too far before position 3c, there is too much highly viscous or hard material 10, 11 in the area from the piston head 35 to the nozzle 8 and the mixing process in the mixing zone C may not have been successful. If, for example, the flank begins far behind position 3c, too little material 10 may have been refilled.
  • the nozzle 8 of the print head 100 is closed.
  • the precompression 310 is completed and for compression 330 the piston 3 is advanced under pressure control, starting from position 3c, until a predefined peak pressure p d is reached and the piston head 35 reaches the position shown in FIG. 6c shown position 3d was driven.
  • the peak pressure p d can be between approx. 100 and 300 bar, depending on the material 10 and requirements.
  • the nozzle 8 is closed and the plunger needle 32 dips into the melt chamber 81 in such a way that part of the liquid phase 12 flows out of the upper region of the melt chamber 81 through the openings 71 in the kidney piece 7 from the melt zone D back into the Mixing zone C is displaced, whereby the part of the liquid phase 12 mixes with the plastic phase 11 from the plasticizing zone B in the mixing zone C.
  • peak pressure position 3d or hold position 3d, is then held for a material-dependent, predefined period of time.
  • the nozzle 8 remains closed and the piston needle 32 is immersed in the melt chamber 81 in such a way that part of the liquid phase 12 flows out of the upper region of the melt chamber 81 through the openings 71 of the kidney piece 7 is displaced from the melting zone D back into the mixing zone C, as a result of which the part of the liquid phase 12 mixes with the plastic phase 11 from the plasticizing zone B in the mixing zone C.
  • the piston head 35 protrudes into the first heating zone 65 and the piston needle 32 into the melt chamber 81, and while it is held, part of the melt 12 flows out of the melt chamber 81 of the nozzle head 6 through the openings 71 in the kidney piece 7 back into the mixing zone C in the plastic granules 10 located there. As a result, residual air is displaced and melt 12 is homogenized in the mixing zone C. As a result, a better energy flow is achieved and a more homogeneous material 11, 12 is produced. The melt 12 flowing back becomes plastic and the granulate portions 11, which are pushed into the kidney piece 7, become molten. This results in a mixing of the material 11, 12.
  • the holding process described here is also used for analysis and for a system check of the print head 100, since the following effects can result in the pressure measurement of the pressure pi_.
  • An increase in the pressure pi_ in the melt 12 would mean that the melt 12 outgassing because, for example, the temperature TL is too high. Melt temperatures TL that are too high are not desirable, since air plasma can form, which would lead to chemical decomposition.
  • a strong pressure drop in the melt pressure pi_ could mean, for example, that the system of the print head 100 is leaking or there was still too much air in the system. This effect could occur if, for example, too much cold material 10, 11 was present in the cavity 40 because the temperature management of the print head 100 was not set optimally.
  • the actuator device 110 moves the piston 3 back from the peak pressure position 3d in a pressure-controlled manner until a target pressure p e of approximately 0 bar is reached.
  • the system is relaxed. This ensures that the melt 12 is pressure-relieved and vented, resulting in a pure melt 12, particularly in the process zone E, which is now of high quality and printable.
  • the target pressure position 3e shown in FIG.
  • the spring constant results from the compressibility of the melt 12 and leads to a correction factor or shape factor that is required for the precise control of the piston 3 by the actuator device 110 .
  • the actuator device 110 can control the piston 3 in a controlled manner, with the spring constant making it possible, among other things, for the real discharge of the melt 12 to reach the correct, calculated volume flow of the melt 12 as a function of a web speed of the moving print head 100 during printing.
  • the quantity of melt 12 required in each case is applied to the component 9.
  • the printing process 250 is prepared via an active decompression by retracting the piston 3 .
  • the piston 3 is pulled back by approximately 1 to 2 millimeters, which ensures that no melt 12 emerges from the nozzle 8 or nozzle opening when it is subsequently opened. This would be the case if position 3e were to be held further due to the existing open system due to the influence of gravity. At the same time, the melt 12 is relieved analogously to a spring.
  • the overall system of the print head 100 is a compressible system since the melt 12 can have a compression of approximately 20%, for example. Therefore, the volume displaced by the advancement of the piston 3 does not correspond to the volume of the discharged material 12, which can result in imprecise and irregular discharges.
  • the possible volume of the melt 12 for an advance of the printing process 250 is defined by the target position 3e and the path to the end position 3z shown in FIG. 6e.
  • the melt 12 is compressed during the start of printing.
  • the compression of the melt 12 in the melt space 81 at the start of printing is generated partly by friction at the nozzle opening of the nozzle 8 when the melt 12 is "squeezed out” and partly by the resistance during printing on the component 9 or a substrate carrier on which the Component 9 is built.
  • a uniform discharge of the melt 12 is achieved by intelligent control of the print head 100, with asynchronous movements of the piston 3 being adjusted by a correction factor by using an electronic gear on the actuator device 110.
  • the correction factor which results in particular from the determined spring constant of the melt 12, is mixed into the system, so to speak.
  • the print head 100 according to the invention is therefore not restricted to synchronous movements analogous to conventional NC systems.
  • the printing process 250 is carried out under pressure control, with the pressure pi_ of the melt 12 being measured continuously via the pressure sensor 83 in the nozzle head 6 .
  • the measured pressure pi_ is the pressure that arises as a result of the melt 12 being discharged onto the component 9 or onto the substrate carrier (if no component is present). Without this effect of printing on an object, there would be no back pressure at the nozzle 8 other than frictional pressure which would cause too much material/melt 12 to be discharged from the nozzle 8 .
  • the printing process 250 is started by the melt 12 being actively mixed in by the intelligent control and activation of the piston 3 .
  • “more” stroke is performed in order to compensate for the compressibility of the melt 12.
  • too much melt 12 is pressed out of the nozzle 8, but the pressure sensor 83 is read out in parallel with the mixing in of the melt 12, as a result of which counter-regulations can be made as a function of the pressure.
  • an electrically driven actuator device 110 proves to be dynamic and very effective.
  • the melt temperature Ts is continuously measured and in the heating zone 2 the melt 12 is controlled via the heating elements 63 in the nozzle head 6 to the required set value of the process temperature in the area of the process zone E.
  • the piston 3 is actuated by the actuator device 110 in accordance with a web speed of the print head 100 , as a result of which the melt 12 is discharged from the nozzle 8 .
  • the control and regulation unit 113 of the print head 100 is activated and actively intervenes in the control of the actuator device 110 in order, for example, to admix an additive desired value or an additive amount of material 12 if required. If, for example, an additive target value is mixed in and as a result more material 12 is discharged or extruded from the nozzle 8 than would be the case with continuous control, the pressure pi_ on the nozzle head 6 also increases as a result.
  • the additive target value is the mixed-in value or The additional piston travel that must be covered in accordance with the correction value, determined from the spring constant to discharge the desired volume of melt 12. As a result, a steady state is achieved, as a result of which the quantity of melt 12 discharged onto the component 9 remains constant.
  • the virtual “spring” of the melt 12 becomes smaller or stiffer as a result of the advance of the piston 3 and the resulting increase in pressure in the melt 12 .
  • This resulting technical effect is readjusted by the control and regulation unit 113, as a result of which the exact quantity of the melt 12 continues to be discharged from the nozzle 8 during the printing process 250.
  • the use of the plunger needle 32 ensures the advantageous effect that this allows direct volume displacement within the melt 12 in the melt chamber 81, as a result of which a smaller spring constant is achieved.
  • the small spring constant in turn enables high dynamics of the print head 100.
  • the effect results from the fact that the piston needle 32 transmits pressure more directly to the melt 12.
  • the maximum pressure process 250 can be carried out until the piston head 35 reaches the position 3z, the position 3z being defined in such a way that the piston head 35 just does not reach a mechanical stop, but as shown in Fig. 6e, shortly before reaching the kidney piece 7 for standing comes. Thereafter, no more material 12 can be discharged and the filling process 210 or refill process described above is restarted.
  • Fig. 7 shows a flowchart of a compression process 230 of the method 200 according to the invention for operating the print head 100 according to the invention.
  • the compression process 230 includes the following steps:
  • the precompression 310 is carried out by force or pressure controlled actuation of the piston 3 by the actuator device 110, the target position 3c of the piston head 35 being in the first third of the plasticizing zone B, starting from the cold zone A.
  • the granules 10, 11 are compressed in the plasticizing zone B by the advancement of the piston 3, with melt 12 being located in the melt zone C between the cavity 40 and the nozzle 8 at the same time.
  • the plasticized granules 11 are thereby pressed into the melt 12 in the mixing zone C.
  • melt 12 is already emerging from the nozzle 8, which means that any air or air pockets that may still be present are displaced from the nozzle head 6. As a result, the nozzle 8 is free.
  • the nozzle 8 of the print head 3 is closed 320.
  • the piston 3 is advanced in a pressure-controlled manner by the actuator device 11 until a defined peak pressure Pd and thus a peak pressure position 3d or holding position 3d is reached.
  • the nozzle 8 is closed and the piston needle 32 dips into the melt chamber 81 in such a way that part of the liquid phase 12 flows out of the upper region of the melt chamber 81 through the Openings 71 of the kidney piece 7 from the melting zone D back into the mixing zone C is displaced, whereby the part of the liquid phase 12 mixes with the plastic phase 11 from the plasticizing zone B in the mixing zone C.
  • the so-called peak pressure position 3d is then held for a material-dependent, predefined period of time, which is why the peak pressure position 3d is also the holding position 3d of the print head 100.
  • the nozzle 8 is closed and the piston needle 32 is immersed in the melt chamber 81 in such a way that part of the liquid phase 12 from the upper region of the melt chamber 81 flows through the openings 71 of the kidney piece 7 is displaced from the melting zone D back into the mixing zone C, as a result of which the part of the liquid phase 12 mixes with the plastic phase 11 from the plasticizing zone B in the mixing zone C.
  • melt 12 is homogenized in the mixing zone C.
  • a better flow of energy is advantageously achieved and a more homogeneous material 12 is produced.
  • the melt 12 flowing back becomes plastic and the granulate portions 11, which are pushed into the kidney piece 7, become molten. This results in a mixing of the material 11, 12.
  • the holding process 340 described here is also used for analysis and for a system check of the print head 100, since the following effects can result in the pressure measurement of the pressure pi_.
  • An increase in the pressure pi_ in the melt 12 would mean that the melt 12 outgassing because, for example, the temperature TL of the melt 12 is too high.
  • Excessively high melt temperatures Ti_ are not desirable since air plasma can form, which would lead to chemical decomposition of the material 12 .
  • a strong pressure drop in the melt pressure pi_ could mean, for example, that the system of the print head 100 is leaking or there was still too much air in the system. This effect could occur if, for example, too much cold material 10 was present in the cavity 40 because the temperature management of the print head 100 was not set optimally.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf (100) für einen 3D-Drucker, umfassend eine in einem Gehäuse (1) des Druckkopfes (100) angeordnete Aktorvorrichtung (110) zur Ansteuerung eines Kolbens (3), eine Zuführeinrichtung (2) für ein druckbares Material (10), ein am Gehäuse (1) und der Zuführeinrichtung (2) angeordneten Flansch (5) mit einer Kühlvorrichtung (50), ein Düsenkopf (6) mit Heizelementen (61, 63) zur Umwandlung des Materials (10) von einer festen Phase (10) über eine plastische Phase (11) in eine flüssige Phase (12) und eine Düse (8) zur Ausbringung der flüssigen Phase (12) des Materials (10) aus dem Düsenkopf (6). Erfindungsgemäß ist an einem unteren Teilbereich (42) einer separaten Kolbenbuchse (4) ein Nierenstück (7) angeordnet, wobei das Nierenstück (7) eine zentrisch verlaufende Bohrung (70) zur Aufnahme einer Kolbennadel (32) des Kolbens (3) aufweist und das Nierenstück (7) konzentrisch angeordnete Öffnungen (71) aufweist, die eine fluidische Verbindung zwischen einen in der Kolbenbuchse (4) angeordnetem Hohlraum (40) und einen in einem unteren Teil (62) des Düsenkopfs (6) angeordnetem Schmelzeraum (81) bilden. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren (200) zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Druckkopfes (100).

Description

Beschreibung
Titel:
Druckkopf für einen 3D-Drucker und Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker und einem Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes.
Stand der Technik
Ein 3D-Drucker für ein in seiner Viskosität veränderliches Material erhält eine feste Phase dieses Materials als Ausgangsmaterial, erzeugt daraus eine flüssige Phase und bringt diese flüssige Phase selektiv an den Stellen, die zu dem zu erzeugenden Objekt gehören, auf. Ein solcher 3D-Drucker umfasst einen Druckkopf, in dem das Ausgangsmaterial druckfertig aufbereitet wird. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, vorgesehen. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.
Der Druckkopf hat einen ersten Betriebszustand, in dem flüssiges Material aus ihm austritt, und einen zweiten Betriebszustand, in dem kein flüssiges Material aus ihm austritt. Der zweite Betriebszustand wird beispielsweise dann eingenommen, wenn eine andere Position auf der Arbeitsfläche angefahren werden und auf dem Weg dorthin kein Material ausgebracht werden soll. Zwischen den beiden Betriebszuständen des Druckkopfes kann beispielsweise umgeschaltet werden, indem der Vortrieb des festen Ausgangsmaterials ein- bzw. ausgeschaltet wird. Am verbreitetsten ist das „fused deposition modeling“ (FDM), bei dem ein Filament aus dem Ausgangsmaterial in einer elektrisch beheizten Extruderdüse aufgeschmolzen und schichtweise auf eine Plattform aufgebracht wird. In Form eines derartigen Filaments ist das Ausgangsmaterial sehr teuer.
In der US 2016/082 627 Al wird vorgeschlagen, das Ausgangsmaterial in Granulatform zuzuführen und mit einer Förderschnecke zu einer beheizten Zone zu fördern, aus der es in plastifizierter Form austritt. Zum einen ist Granulat deutlich günstiger, und zum anderen können Mischungen aus verschiedenen thermoplastischen Materialien auf diese Weise einfach hergestellt werden.
Ferner ist aus der DE 102016222306 Al ein Druckkopf bekannt, wobei in diesem ein Granulat über einen Kolben und eine beheizte Strecke plastifiziert wird. Wenn der Kolben auf das Granulat drückt, wird dieses verdichtet und zu einer Plastifizierungszone im unteren Bereich des Druckkopfes gefördert. Dabei treten Kräfte auf, die den Kolben und eine Zylinderwandung des Druckkopfes stark beanspruchen und zu erhöhtem Verschleiß an der Zylinderwand des Druckkopfgehäuses führen können. Ferner ist eine komplexe Aufschmelzgeometrie mit einer Wärmeleitstruktur offenbart, wobei diese eine Heizleistung eines Heizelements in das plastifizierte Material einbringt, um es in eine flüssige Phase des Materials zu bringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kompakten Druckkopf für einen 3D-Drucker bereitzustellen, der eine hohe Dynamik und einen stabilen Druckprozess ermöglicht, sowie ein Verfahren zum Betreiben des Druckkopfes.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Druckkopf für einen 3D-Drucker entwickelt. Ferner wurde ein Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes entwickelt.
Der Druckkopf für einen 3D-Drucker umfasst eine in einem Gehäuse des Druckkopfes angeordnete Aktorvorrichtung zur Ansteuerung eines Kolbens, eine Zuführeinrichtung für ein druckbares Material, ein am Gehäuse und der Zuführeinrichtung angeordneten Flansch mit einer Kühlvorrichtung, ein Düsenkopf mit Heizelementen zur Umwandlung des Materials von einer festen Phase über eine plastische Phase in eine flüssige Phase und eine Düse zur Ausbringung der flüssigen Phase des Materials aus dem Düsenkopf. Erfindungsgemäß ist an einem unteren Teilbereich einer separaten Kolbenbuchse ein Nierenstück angeordnet ist, wobei das Nierenstück eine zentrisch verlaufende Bohrung zur Aufnahme einer Kolbennadel des Kolbens aufweist und das Nierenstück konzentrisch angeordnete Öffnungen aufweist, die eine fluidische Verbindung zwischen einen in der Kolbenbuchse angeordnetem Hohlraum und einen in einem unteren Teil des Düsenkopfs angeordnetem Schmelzeraum bilden.
Die Aktorvorrichtung zur Ansteuerung des Kolbens kann ein Elektromotor, beispielsweise mit einer mechanischen Übersetzung oder ein hydraulischer Antrieb mit einer hydraulischen Druckquelle sein.
Ein Elektromotor als Aktorvorrichtung hat gegenüber einem hydraulischen Antrieb ein geringeres Gewicht und sorgt dadurch in vorteilhafter Weise für eine hohe Dynamik des gesamten Druckers und des Druckprozesses, da weniger Masse beschleunigt werden muss.
Ein hydraulischer Antrieb erreicht in vorteilhafter Weise hohe Kräfte beim Ansteuern des Kolbens.
Die Zuführeinrichtung für das druckbare Material kann insbesondere als eine Zuführung für ein als Granulat vorliegendes Material, bzw. Ausgangsmaterial vorgesehen sein. Das Ausgangsmaterial kann insbesondere ein thermoplastisches Material sein.
Es wurde erkannt, dass durch den Einsatz von Granulat als Ausgangsmaterial gegenüber Druckköpfen, die Filamente aus thermoplastischem Material verwenden, spezifische Vorteile erzielt werden, insbesondere bei den Kosten für die Ausgangsmaterialien der Drucker.
Im Vergleich zu einem Druckkopf, der Granulat mit einer Förderschnecke transportiert, lässt sich der Druckkopf gemäß der Erfindung kompakter bauen. Dies wiederum hat zur Folge, dass der Druckkopf leichter und einfacher bewegbar ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Druckkopf sehr schnell, insbesondere mit Geschwindigkeiten von 100 mm/s oder mehr, bewegt werden soll.
Der Flansch umfasst eine Kühlvorrichtung, wodurch im Bereich der Zuführvorrichtung ein optimiertes Thermomanagement erzielt wird, so dass in vorteilhafter Weise ein Verkleben des Materials, bzw. des Granulats am Kolben vermieden wird. Ferner weist der Düsenkopf Heizelemente zur Umwandlung des Materials von einer festen Phase, insbesondere Granulat, in eine flüssige Phase auf. Die Heizelemente im Düsenkopf sorgen in vorteilhafter Weise für eine gezielte Einbringung der Heizleistung in das aufzuschmelzende Material. Die flüssige Phase, bzw. Schmelze ist anschließend durch eine Kolbenbewegung durch die Düse des Düsenkopfes ausbringbar.
Die separate Kolbenbuchse zur Führung des Kolbens ermöglicht es, dass der Kolben direkt in der Kolbenbuchse geführt ist und nicht mehr im Gehäuse oder einem Zylinder des Druckkopfs. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass möglicher Verschleiß nicht mehr direkt an der Innenwand des Gehäuses oder des Zylinders auftritt, sondern innerhalb der Kolbenbuchse. Die Kolbenbuchse als separates Bauteil bietet den Vorteil, dass sie bei Bedarf auswechselbar ist. Zudem ist die Möglichkeit gegeben, dass zueinander abgestimmte Kolben und Kolbenbuchsen bei unterschiedlichen Durchmessern ohne weitere konstruktive Veränderungen, beispielsweise am Flansch und dem Düsenkopf, eingesetzt werden können.
Ferner weist die Kolbenbuchse ein in den Flansch hineinragenden oberen Teilbereich und ein in den Düsenkopf hineinragenden unteren Teilbereich auf. Dadurch ist der obere Teilbereich im Wirkbereich einer Kühlzone der Kühlvorrichtung des Flansches angeordnet und der untere Teilbereich im Wirkbereich einer Heizzone des Düsenkopfes angeordnet, wodurch in vorteilhafter Weise eine effektive Energieabfuhr aus dem Material innerhalb der Kühlzone oder eine effektive Energiezufuhr in das Material innerhalb der Heizzone erreicht wird.
Im oberen Teilbereich der Kolbenbuchse ist eine Öffnung, bzw. ein Öffnungsquerschnitt angeordnet, der die Zufuhr von Material aus der Zuführvorrichtung in die Kolbenbuchse ermöglicht. Am unteren Bereich der Öffnung ist ein Anschnitt angeordnet, der in einem stumpfen Winkel zur Innenfläche der Kolbenbuchse ausgebildet ist. Der Bereich des Anschnitts ist gehärtet, oder alternativ als separates gehärtetes Einlegestück ausgeführt. Beim Verschließen der Öffnung durch den Kolben, wird Material, bzw. Granulat vom Kolben am Anschnitt abgeschert, wodurch eine starke mechanische Belastung auf diesen Teil der Kolbenbuchse wirkt. Durch die separate Kolbenbuchse und dem gehärteten Bereich des Anschnitts wird in vorteilhafter Weise eine längere Standzeit und ein schnelleres Austauschen eines defekten Bauteils erreicht.
Zudem weist die Kolbenbuchse zwischen dem oberen und unteren Teilbereich einen Anschlag auf, durch den der Flansch und der Düsenkopf voneinander getrennt sind. Die Kolbenbuchse und insbesondere der Anschlag trennen somit in vorteilhafter Weise den gekühlten Flansch von dem beheizten Düsenkopf, wodurch diese nicht miteinander in Berührung stehen.
Der Kolben umfasst einen ersten Kolbenteil zur Anbindung an der Aktorvorrichtung, einen Kolbenkopf zur Anbindung am ersten Kolbenteil und zur Aufnahme der Kolbennadel. Der erste Kolbenteil ist bevorzugt als Aluminiumhohlkolben ausgebildet, wodurch Kühlmittel durch das erste Kolbenteil geleitet werden kann und dadurch in vorteilhafter Weise eine Kolbenkühlung erreicht wird. Der Kolbenkopf weist an der zur Düse gewandten Seite eine Unterseite auf, wobei die Kolbennadel aus der Mitte der Unterseite herausragt. Die Fläche der Unterseite des Kolbenkopfes abzüglich der virtuellen Fläche der Kolbennadel bildet eine Kolbenfläche zur Erzeugung eines Drucks auf das Material bildet. Die Unterseite des Kolbenkopfes wird durch die Kolbenkühlung mitgekühlt und verringert dadurch lokal die Viskosität der Schmelze, bzw. des plastischen Materials am Kolbenboden. Dadurch wird verhindert, dass flüssige Schmelze in Richtung der Antriebsvorrichtung einfließen kann, wodurch in vorteilhafter Weise ein Verklemmen des Kolbens in der Kolbenbuchse als auch ein Eindringen der Schmelze in die Antriebsvorrichtung verhindert wird. Zudem löst sich das Material beim Zurückziehen einfacher vom Kolbenboden, bzw. der Unterseite des Kolbenkopfes, so dass beim Erreichen eines Start-, bzw. Ausgangspunktes des Kolbens ein einfaches Nachfüllen von Material in einer festen Phase, bzw. von Granulat möglich ist, ohne das Restmaterial am Kolbenboden haftet.
An der Unterseite des Kolbenkopfes, bzw. am Kolbenboden ist bevorzugt ein Temperatursensor angebracht. Aufgrund dieser Anordnung des Temperatursensors ist ein kolbenpositionsabhängiges Thermomanagement des Druckkopfes möglich, wodurch ein schnelleres Aufheizen des Materials erreicht wird, ohne das Schmelze mit der Unterseite des Kolbenkopfes in Kontakt kommt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine Beschleunigung eines Befüllvorganges des Druckkopfes erreicht werden.
Der Kolbenkopf ist als zylindrisches Bauteil ausgeführt und bevorzugt aus einem thermisch resistenten Material hergestellt. Die Kombination, dass die Ausführung des ersten Kolbenteils aus Aluminium und des Kolbenkopfes aus beispielsweise Stahl ausgeführt ist, erweist sich als vorteilhaft, da so der Kolben einen elastischen oberen Bereich zur Aufnahme der mechanischen Spannungen und einen thermisch resistenten unteren Bereich im Bereich des erhitzten Materials aufweist.
Die Kolbennadel ragt je nach Kolbenposition in die Bohrung des Nierenstücks nur teilweise hinein oder ganz hindurch, wodurch die Kolbennadel in der zentrischen Bohrung des Nierenstücks in vorteilhafter Weise geführt wird.
Der Hohlraum ist innerhalb der Kolbenbuchse angeordnet und wird durch ein Volumen gebildet, dessen äußere Fläche aus der Innenseite der Kolbenbuchse, der Außenseite der Kolbennadel, der Oberseite des Nierenstücks und der Unterseite des Kolbens gebildet ist.
Innerhalb des Hohlraums wird das Material, bzw. das Granulat durch das Verfahren des Kolbens über die Unterseite des Kolbenkopfs, bzw. die Kolbenfläche verdichtet. Während der Verdichtung des Materials ist das Thermomanagement des Druckkopfs derart eingestellt, dass sich innerhalb des Hohlraums keine flüssige Phase des Materials, bzw. keine Schmelze bildet, sondern das Material als plastische Phase ausgebildet wird. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass kein plastifiziertes Material an der Unterseite des Kolbens anhaftet. Jedoch wird während der Verdichtung ein Teil der flüssigen Phase, bzw. Schmelze im Schmelzeraum durch die in den Schmelzeraum eindringende Kolbennadel durch die konzentrisch angeordneten Öffnungen des Nierenstücks aus dem Schmelzeraum heraus in den Hohlraum der Kolbenbuchse gedrückt. Dabei vermischen sich Teile der Schmelze mit Teilen der plastischen Phase. Dabei gibt die Schmelze Energie in die plastische Phase ab wodurch in vorteilhafter Weise ein homogeneres Material erzeugt wird. Das Nierenstück bildet somit einen Mischer, bzw. einen statischen Mischer, da außer der Kolbenbewegung in vorteilhafter Weise keine weiteren beweglichen Teile zur Vermischung der plastischen mit der flüssigen Phase nötig ist. Die Ausgestaltung des Nierenstücks sorgt somit in vorteilhafter Weise für eine Blendenwirkung, die zu einer besseren Durchmischung des Materials, bzw. der Schmelze mit dem plastifiziertem Material führt.
Das Nierenstück leitet die Heizenergie des Heizelements aus dem Düsenkopf sowohl in die Schmelze als auch in die Kolbennadel, was in vorteilhafter Weise für ein verbessertes Energiemanagement beim Aufheizen der Schmelze sorgt.
Das Nierenstück kann in einer ersten Ausführung als ein separates Bauteil ausgeführt oder in einer zweiten Ausführung einstückig mit der Kolbenbuchse ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird während eines Verdichtungsprozesses zur Herstellung von flüssiger Phase des Materials die Düse verschlossen und die Kolbennadel ist derart in den Schmelzeraum eingetaucht, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase aus einem oberen Bereich des Schmelzeraums durch die Öffnungen des Nierenstücks zurück in den Hohlraum der Kolbenbuchse verdrängt wird, wodurch sich der verdrängte Teil der flüssigen Phase mit der plastischen Phase im Hohlraum (40) vermischt.
Während der Vermischung gibt die Schmelze Energie in die plastische Phase ab, wodurch in vorteilhafter Weise ein homogeneres Material erzeugt wird. Die Vermischung findet in einer Mischzone des Druckkopfes statt, wobei die Mischzone mit den in ihr angeordneten Komponenten während des Verdichtungsprozesses einen Mischer bildet, da außer der Kolbenbewegung beim Verdichten in vorteilhafter Weise keine weiteren beweglichen Teile zur Vermischung der plastischen mit der flüssigen Phase nötig sind. Bei einem später beschriebenen Haltevorgang ruht der Kolben in einer Halteposition und die oben beschriebene Vermischung findet ohne eine Bewegung der Komponenten statt. Daher kann während des Halteprozesses des Verdichtungsprozesses die Mischzone auch als statischen Mischer bezeichnet werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Druckkopf, ausgehend von einem oberen Teilbereich der Kolbenbuchse über das Nierenstück bis zur Düse unterschiedliche Zustandszonen auf, wobei die Zustandszonen einen Aggregatzustand des Materials in Abhängigkeit seiner Temperatur Ts darstellen. Dabei ist der Aggregatzustand des Materials über die Zustandszonen hinweg von einer festen Phase über eine plastische Phase in eine flüssige Phase veränderbar.
Die Zustandszonen des Druckkopfs umfassen eine Kalte Zone mit Material in fester Phase, eine Plastifizierungszone mit Material in plastischer Phase, eine Schmelzezone und eine Prozesszone mit jeweils Material in flüssiger Phase und eine Mischzone mit Material in plastischer und flüssiger Phase.
Ferner sind die Kühlvorrichtung im Flansch und die im Kolben integrierte Kolbenkühlung dafür vorgesehen, die Temperatur Ts der plastischen Phase des Materials in der Plastifizierungszone auch dann unterhalb einer Glasübergangstemperatur Tg zu halten, ab der das Material plastifizieren und in eine flüssige Phase übergehen würde.
Dies ist gleichbedeutend damit, dass der Kolbenboden ausschließlich mit der festen Phase des Materials in Berührung kommt und nicht mit einer vollständig plastifizierten Phase. Die vollständig plastifizierte Phase hat eine zähe, klebrige Konsistenz mit einer hohen Neigung zur Oberflächenadhäsion. Wenn der Kolben mit dieser Phase in Berührung kommt, kann er damit verkleben, wodurch beispielsweise das Nachrieseln von frischem Granulat beim Zurückziehen des Kolbens behindert wird. Dieser Effekt wird in vorteilhafter Weise vermieden.
In einer Weiterbildung umfasst der Düsenkopf zwei Heizzonen.
In der ersten Heizzone sind ein Teilbereich der Plastifizierungszone, die Mischzone und ein Teilbereich der Schmelzezone angeordnet, wobei ein erstes Heizelement im oberen Düsenkopf derart angeordnet ist, dass die Heizenergie vom ersten Heizelement über den unteren Teilbereich der Kolbenbuchse, das Nierenstück und einem Teilabschnitt des oberen Düsenkopfs in das Material einbringbar ist.
In einer Weiterbildung ist die Heizenergie vom ersten Heizelement über das Nierenstück in die Kolbennadel innerhalb der Bohrung einbringbar.
Der Kontakt der Kolbennadel innerhalb der Bohrung sorgt zusätzlich für ein Anheizen der Kolbennadel, wodurch in vorteilhafter Weise eine Beschleunigung der Schmelzetemperatur auf die benötigte Prozesstemperatur erreicht wird.
In der zweiten Heizzone sind ein Teilbereich der Schmelzezone und die Prozesszone angeordnet, wobei ein zweites Heizelement im unteren Düsenkopf derart angeordnet ist, dass die Heizenergie vom zweiten Heizelement über den unteren Düsenkopf in die flüssige Phase des Materials einbringbar ist.
Die Anordnung der beiden Heizzonen im Düsenkopf sorgt für ein effektiveres Thermomanagement des Druckkopfes, da die Heizenergie der ersten Heizzone für ein vorteilhaftes Vorplastifizieren des Materials sorgt, ohne dass das Material in die flüssige Phase übergeht. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Kolben beim Verdichten nicht verklebt und der Druckkopf einwandfrei funktioniert. Dieser Effekt wird im Zusammenspiel mit der Kühlvorrichtung im Flansch optimiert. Ferner wird das Material in der plastischen Phase derart vorplastifiziert, dass die Aktorvorrichtung beim Vorschub des Kolbens einen geringeren Kraftaufwand erfordert, wodurch in vorteilhafter Weise kleinere Aktoren zum Vorschub des Kolbens verwendet werden können. Dies verringert die Kosten der Anlage und führt zu einer verbesserten Dynamik des Druckkopfes, da sich das Gewicht des Druckkopfes verringert. Dadurch kann der Druckkopf während einer sogenannten Bahnsteuerung zur Erzeugung eines Bauteils besser beschleunigt und abgebremst werden.
In der zweiten Heizzone wird die Schmelze erzeugt und die eingetragene Heizenergie sorgt für eine relativ konstante Schmelzetemperatur über den gesamten Schmelzeraum. Die Schmelzetemperatur kann innerhalb der zweiten Heizzone derart geregelt werden, dass sich das Material nicht zu stark erhitzt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise vermieden werden, dass durch eine zu hohe thermische Belastung beispielsweise Spaltprodukte entstehen, in erster Linie Gase, welche durch die im System vorherrschenden Drücke eine weitere Zersetzung des Materials beschleunigen und auch direkt dessen Qualität negativ beeinflussen.
In Bezug auf die Zustandszonen des Druckkopfes ist während eines Verdichtungsprozesses zur Herstellung von flüssiger Phase des Materials in der Prozesszone die Düse verschlossen und die Kolbennadel ist derart in den Schmelzeraum eingetaucht, dass dadurch Teile der flüssigen Phase aus dem oberen Bereich des Schmelzeraums durch die Öffnungen des Nierenstücks aus der Schmelzezone zurück in die Mischzone verdrängt werden, wodurch sich die Teile der flüssigen Phase aus der Schmelzezone mit der plastischen Phase aus der Plastifizierungszone in der Mischzone vermischen.
Während der Vermischung gibt die Schmelze Energie in die plastische Phase ab, wodurch in vorteilhafter Weise ein homogeneres Material erzeugt wird. Die Mischzone bildet mit den in ihr angeordneten Komponenten während des Verdichtungsprozesses einen Mischer, bzw. einen statischen Mischer, da außer der Kolbenbewegung in vorteilhafter Weise keine weiteren beweglichen Teile zur Vermischung der plastischen mit der flüssigen Phase nötig sind.
Im Schmelzeraum sind ein Drucksensor für den Druck pi_, und/oder ein Temperatursensor für die Temperatur TL der flüssigen Phase angeordnet.
Die Messung des Drucks pi_ ist der primäre Parameter, der über die Ausbringung, bzw. den Austrag oder auch Massenstrom an Schmelze aus der Austrittsöffnung entscheidet. Eine zusätzliche Messung der Temperatur TL ermöglicht es, bei der Bestimmung des Massenstroms Q auch die Temperaturabhängigkeit der Viskosität des Materials zu berücksichtigen. Durch den Kolbenvorschub kann die zu dosierende Menge exakt geregelt werden. Für die Qualität des hergestellten Bauteils, bzw. Objekts ist die Kontrolle der Temperatur TL, insbesondere in Form einer konstanten und genauen Regelung, sogar wichtiger, um eine thermische Degradation des Materials zu vermeiden.
Ferner sind an der Aktorvorrichtung und/oder am Kolben ein Wegmesssystem für die Position s des Kolbens, und/oder ein Sensor für die vom Kolben auf das Material ausgeübte Kraft F oder für einen auf den Kolben ausgeübten Hydraulikdruck PH, vorgesehen. Der Vorschub des Kolbens ist ein Maß für die Menge an auszutragendem Material. Diese Menge kann unter anderem über das Wegmesssystem kontrolliert werden. Weiterhin korreliert die Kraft F unmittelbar mit dem Druck in dem Material.
Am Kolben, insbesondere an der Unterseite des Kolbenkopfes des Kolbens kann ein Temperatursensor für die Temperatur TK der plastischen Phase des Materials angeordnet sein.
Aufgrund dieser Anordnung des Temperatursensors ist ein kolbenpositionsabhängiges Thermomanagement des Druckkopfes möglich, wodurch ein schnelleres Aufheizen des Materials erreicht wird, ohne das Schmelze mit der Unterseite des Kolbenkopfes in Kontakt kommt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine Beschleunigung eines Befüllvorganges des Druckkopfes, bzw. eine Reduzierung der benötigten Zeit des Befüllvorganges erreicht werden.
Ferner kann eine Steuer- und Regeleinheit für eine aktive Regelung der Aktorvorrichtung zum Verfahren des Kolbens entsprechend einer auszuführenden Betriebsstrategie zum Befüllen und Drucken und für eine aktive Regelung der Temperaturen der Heizelemente des Düsenkopfes vorgesehen sein.
Zudem kann eine Auswerteeinheit vorgesehen sein, die dazu ausgebildet ist, die Messwerte der Sensoren auszuwerten und die Ergebnisse an die Steuer- und Regeleinheit zur aktiven Regelung der Aktorvorrichtung und zur aktiven Regelung der Heizelemente weiterzugeben.
Durch die Erfassung und Auswertung der Sensorenwerte in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebszustände kann die Funktionsfähigkeit des Druckkopfes überprüft werden, wodurch in vorteilhafter Weise frühzeitig Fehler oder Abweichungen im Prozess dargestellt werden können. Ferner können durch die Erfassung der Sensorenwerte definierte Zielwerte angesteuert werden. Es ist auch möglich, dass Korrekturfaktoren berechnet und an die Steuer- und Regeleinheit übertragen werden. Diese können beispielsweise zu den Sollwerten addiert werden, um in vorteilhafter Weise eine gewünschte und konstante Ausbringung der Schmelze aus der Düse zu erreichen. Die aktive Regelung der Heizelemente ermöglicht eine dynamische Regelung der Temperatur, die in vorteilhafter Weise sowohl das Heizen als auch das Kühlen beeinflusst. Wenn beispielsweise die Heizenergie des ersten Heizelements durch die Steuer- und Regeleinheit reduziert wird, läuft die Kühlung im Flansch weiterhin ab und diese entzieht der plastischen Phase des Materials die Energie, wodurch diese schlagartig abkühlt.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Druckkopfes, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Befüllen des Hohlraums mit druckbarem Material durch die Zuführeinrichtung,
- Verschließen eines Öffnungsquerschnitts der Kolbenbuchse durch Verfahren des Kolbens ausgehend von einer Startposition in Richtung der Düse,
- Verdichten des Materials,
- Umwandeln des Materials von einer festen Phase in eine flüssige Phase,
- Ausbringung der flüssigen Phase des Materials aus der Düse zum Drucken eines dreidimensionalen Bauteils bis eine Endposition des Kolbens erreicht wird oder bis zur Fertigstellung des Bauteils,
- Zurückfahren des Kolbens in die Startposition und
- Wiederholung der Schritte „Befüllen“ bis „Ausbringung der flüssigen Phase“ bis zur Beendigung des Verfahrens.
Die Prozesse des Verdichtens und des Umwandeins finden zum größten Teil gleichzeitig statt, da während beider Prozesse Heizenergie über die beiden Heizzonen in den Druckkopf eingebracht wird.
Ferner können zumindest das Verschließen, das Verdichten, das Umwandeln und die Ausbringung durch eine aktive Regelung der Aktorvorrichtung durch die Steuer- und Regeleinheit durchgeführt werden, wobei die Ergebnisse der Auswerteeinheit aus den Messwerten der Sensoren an die Steuer- und Regeleinheit weitergegeben werden.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Druckkopfes umfasst der Verdichtungsprozess folgende Schritte:
- Vorverdichten des Materials durch Vorschub des Kolbens, - Verschließen der Düse,
- Verdichten des Materials durch Vorschub des Kolbens und
- Halten des Kolbens in einer Halteposition.
Das Vorverdichten wird durch kraft-, bzw. druckgesteuertes Ansteuern des Kolbens durch die Aktorvorrichtung ausgeführt, wobei sich die Zielposition des Kolbenbodens im ersten Drittel der Plastifizierungszone, ausgehend von der kalten Zone, befindet. Das Granulat wird in der Plastifizierungszone durch den Vorschub des Kolbens komprimiert, wobei sich gleichzeitig in der Schmelzezone zwischen dem Hohlraum und der Düse Schmelze befindet. Das plastifizierte Granulat wird dadurch in der Mischzone in die Schmelze hineingedrückt.
Durch das Absenken des Kolbens und analog der Kolbennadel in Richtung Düse tritt bereits Schmelze aus der Düse aus, wodurch in vorteilhafter Weise erreicht wird, dass möglicherweise noch vorhandene Luft, bzw. Lufteinschlüsse aus dem Düsenkopf verdrängt werden. Dadurch wird die Düse frei.
Nach Erreichen der Zielposition des Vorverdichtens wird die Düse des Druckkopfes verschlossen.
Zum Verdichten des Materials wird der Kolben durch die Aktorvorrichtung druckgesteuert vorgeschoben bis ein definierter Peakdruck und damit eine Peakdruckposition erreicht wird. Dabei ist in einer Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben des Druckkopfes während des Verdichtens die Düse verschlossen und die Kolbennadel taucht derart in den Schmelzeraum ein, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase aus dem oberen Bereich des Schmelzeraums durch die Öffnungen des Nierenstücks aus der Schmelzezone zurück in die Mischzone verdrängt wird, wodurch sich der Teil der flüssigen Phase mit der plastischen Phase aus der Plastifizierungszone in der Mischzone vermischt.
Anschließend wird die sogenannte Peakdruckposition für einen materialabhängigen vordefinierten Zeitraum gehalten, daher ist die Peakdruckposition auch die Halteposition des Druckkopfes.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist während des Haltens des Kolbens in der Halteposition die Düse verschlossen und die Kolbennadel ist derart in den Schmelzeraum eingetaucht, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase aus dem oberen Bereich des Schmelzeraums durch die Öffnungen des Nierenstücks aus der Schmelzezone zurück in die Mischzone verdrängt wird, wodurch sich der Teil der flüssigen Phase mit der plastischen Phase aus der Plastifizierungszone in der Mischzone vermischt.
Durch den Haltevorgang wird Restluft verdrängt und Schmelze wird in der Mischzone C homogenisiert. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ein besserer Energiefluss erreicht und ein homogeneres Material erzeugt. Die zurückfließende Schmelze wird plastisch und die Granulatanteile, welche in das Nierenstück geschoben werden, werden schmelzeförmig. Dadurch entsteht ein Vermischen des Materials.
Der hier beschriebene Haltevorgang dient zudem in vorteilhafter Weise zur Analyse und zu einem Systemcheck des Druckkopfes, da sich folgende Effekte bei der Druckmessung des Drucks ergeben können. Ein Druckanstieg des Drucks in der Schmelze würde bedeuten, dass die Schmelze ausgast, weil beispielsweise die Temperatur der Schmelze zu hoch ist. Zu hohe Schmelzetemperaturen sind nicht gewünscht, da Luftplasma entstehen kann, was zu einem chemischen Zerfall führen würde.
Ein starker Druckabfall des Schmelzedrucks könnte beispielsweise bedeuten, dass das System des Druckkopfs undicht ist oder noch zu viel Luft im System war. Dieser Effekt könnte auftreten, wenn beispielsweise zu viel kaltes Material im Hohlraum vorhanden war, weil das Temperaturmanagement des Druckkopfes nicht optimal eingestellt war.
Das Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise ein Erreichen einer gleichbleibenden konstanten Bahndicke ab dem ersten Tropfen.
Die Auswerteeinheit kann sowohl separat von der Steuer- und Regeleinheit ausgeführt sein, als auch in dieser integriert sein.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt. Kurze Beschreibung der Zeichnung Es zeigen:
Fig. 1 einen Druckkopf gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Druckkopfes;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Druckkopfes;
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des erfindungsgemäßen Druckkopfes;
Fig. 5 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Druckkopfes mit einem Druckverlauf;
Fig. 6 verschiedene Positionen eines Kolbens des erfindungsgemäßen Druckkopfes und
Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines Verdichtungsprozesses des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des erfindungsgemäßen Druckkopfes.
Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt einen Druckkopf 100 für einen 3D-Drucker, umfassend eine in einem Gehäuse 1 des Druckkopfes 100 angeordnete Aktorvorrichtung 110 zur Ansteuerung eines Kolbens 3, eine Zuführeinrichtung 2 für ein druckbares Material 10, ein am Gehäuse 1 und der Zuführeinrichtung 2 angeordneten Flansch 5 mit einer Kühlvorrichtung 50, ein Düsenkopf 6 mit Heizelementen 61, 63 zur Umwandlung des Materials 10 von einer festen Phase 10 über eine plastische Phase 11 in eine flüssige Phase 12 und eine Düse 8 zur Ausbringung der flüssigen Phase 12 des Materials 10 aus dem Düsenkopf 6. Der Druckkopf 100 umfasst eine separate Kolbenbuchse 4 zur Führung des Kolbens 3.
Der durch die Kühlvorrichtung 50 innengekühlte Flansch 5 sorgt für eine thermische Trennung des unteren beheizten Bereichs des Druckkopfes 100 zur Aktorvorrichtung 110, bzw. zum Antrieb des Kolbens 3.
Der Kolben 3 umfasst ein erstes Kolbenteil 31 zur Anbindung des Kolbens 3 an der Aktorvorrichtung 110, einen Kolbenkopf 34, der an dem ersten Kolbenteil 31 befestigt ist und in Richtung der Düse 8 eine Kolbennadel 32 aufnimmt. Am Kolben 3, bzw. an einer Unterseite 35 des Kolbenkopfes 34 ist ein Temperatursensor 36 zur Messung der Temperatur TK der plastischen Phase 11 des Materials angeordnet. Die Unterseite 35 des Kolbenkopfes 34 bildet einen Kolbenboden 35. Der erste Kolbenteil 31 ist bevorzugt als Aluhohlkolben ausgebildet, wobei dieser im Inneren einen Hohlraum aufweist, der als Kühlkanal ausgebildet ist. Am unteren Ende des ersten Kolbenteils 31 ist eine Kolbenkühlung 33 angeordnet, die über ein Kühlmittelsystem gekühlt wird.
Die Kolbenkühlung 33 sorgt für eine Erstarrung des Materials 11, 12 am Kolbenboden 35 und dichtet dadurch den Kolben 3 in Richtung der Aktorvorrichtung 110 ab, bzw. verhindert dadurch ein Einfließen flüssiger Schmelze 12 in Richtung der Aktorvorrichtung 110. Als Kühlmittel wird bevorzugt eine Kühlflüssigkeit eingesetzt, wobei diese über Anschlüsse und flexible Leitungen durch das Gehäuse 1 in einen Kühlanschluss 37 des ersten Kolbenteils 31 gefördert wird.
Die Kühlvorrichtung 50 im Flansch 5 wird durch das gleiche Kühlmittelsystem mit Kühlmittel versorgt.
Durch die Abkühlung des Materials 11, 12 am Kolbenboden 35 verringert sich lokal die Viskosität des Materials 11, 12, wodurch sich dieses beim Zurückziehen des Kolbens 3 von diesem löst, ohne Fäden zu ziehen. Dabei wird Raum für neues Material 10 geschaffen.
Fig. 1 zeigt den Kolben 3 in einer Ausgangsposition zur Befüllung des Druckkopfes 100 mit druckbarem Material 10, welches über die Zuführeinrichtung 2 in den Druckkopf 100 zugeführt wird. Die Zuführeinrichtung 2 ist trichterförmig ausgebildet, wobei das Material 10, das bevorzugt ein Granulat ist, von oben in eine Öffnung der Zuführeinrichtung 2 eingefüllt wird. Das Material 10 gelangt durch Schwerkraft bis zu einer Öffnung 21, bzw. einem Öffnungsquerschnitt zur Kolbenbuchse 4. Im unteren Bereich der Zuführeinrichtung 2 oberhalb der Öffnung 21, ist ein Luftkanal 20 angeordnet. Dieser wird durch ein pneumatisches Ventil 22 mit Luftimpulsen beaufschlagt. Das pneumatische Ventil 22 und der Luftkanal 20 bilden eine Einblasvorrichtung, die das Granulat 10 intervallartig derart mit Luftstöße beaufschlagt, dass dieses in Richtung des weiter oben gelegenen Bereichs der Zuführeinrichtung 2 geschleudert wird und sich dadurch die einzelnen Granulatstücke 10 voneinander lösen. Beim Ausschalten des Luftstroms fällt das sich im unteren Bereich der Zuführeinrichtung 2 befindliche Granulat 10 bei geöffnetem Öffnungsquerschnitt 21 in die Kolbenbuchse 4.
Die Einblasvorrichtung der Zuführeinrichtung 2 verhindert dadurch ein Verklemmen der Granulatstücke 10, wodurch ein Verstopfen der Zuführvorrichtung 2 verhindert wird und sie sorgt für ein sicheres Auffüllen der Kolbenbuchse 4 mit Granulat 10. Ferner können kleinere Durchmesser im Einlass der Zuführeinrichtung 2 verwendet werden.
Der Prozess des Nachfüllens erfordert das Hinterblasen des Granulats 10, wodurch ein Effekt des Anhebens des Granulats entsteht, so dass dieses anschließend in den Druckkopf 100 rutscht. Das Aufwirbeln ist für einen automatisierten Einsatz notwendig und durch den entstehenden Schwerkraftimpuls, bzw. Schlag rutscht das Granulat 10 nach.
Die Kolbenbuchse 4 weist ein in den Flansch 5 hineinragenden oberen Teilbereich 41 und ein in einen oberen Teilbereichs 60 des Düsenkopfes 6 hineinragenden unteren Teilbereich 42 auf. Zwischen dem oberen 41 und unteren 42 Teilbereich der Kolbenbuchse 4 ist ein Anschlag 43 angeordnet durch den der Flansch 5 und der Düsenkopf 6 voneinander getrennt sind. Die Öffnung 21, bzw. der Öffnungsquerschnitt ist im oberen Teilbereich 41 der Kolbenbuchse 4 angeordnet und weist an der Innenfläche der Kolbenbuchse 4 einen Anschnitt 44 auf. Der Anschnitt 44 bewirkt, dass beim Schließen des Öffnungsquerschnitts 21 durch den Kolben 3 Granulat 10 zwischen dem Anschnitt 44 und dem Kolbenboden 35 abgeschert wird, bis der Kolbenboden 35 eine Position unterhalb des Anschnitts 44 erreicht hat.
Die Kolbenbuchse 4 weist am Anschnitt 44 einen stumpfen Winkel auf, wobei dieser scharfkantig und gehärtet ist. Dabei ist eine lokale Härtung von Vorteil.
Der Anschnitt 44 kann in einer alternativen Ausführung auch durch einen separaten Einsatz, analog einer Wendeplatte, gebildet sein.
Die Bauform des Anschnitts 44 sorgt in vorteilhafter Weise für eine Verringerung der notwendigen Kräfte zum Abscheren des Granulats 10, wodurch Energie gespart werden kann und die Materialen der Kolbenbuchse 4 und des Kolbens 3 weniger verschleißanfällig sind. Die Kante des Anschnitts 44 ist dabei extrem verschleißanfällig.
Erfindungsgemäß ist am unteren Teilbereich 42 der Kolbenbuchse 4 ist ein Nierenstück 7 angeordnet, wobei das Nierenstück 7 eine zentrisch verlaufende Bohrung 70 zur Aufnahme einer Kolbennadel 32 des Kolbens 3 aufweist und das Nierenstück 7 konzentrisch angeordnete Öffnungen 71 aufweist, die eine fluidische Verbindung zwischen einem in der Kolbenbuchse 4 angeordnetem Hohlraum 40 und einem in einem unterem Teil 62 des Düsenkopfs 6 angeordnetem Schmelzeraum 81 bilden. Der Hohlraum 40 ist innerhalb der Kolbenbuchse 4 angeordnet und wird durch die Innenseite der Kolbenbuchse 4, der Außenseite der Kolbennadel 32, der Oberseite des Nierenstücks 7 und der Unterseite 35 des Kolbens 3 gebildet.
Eine bevorzugte Aufgabe des Nierenstücks 7 ist die Wärmeleitung, bzw. Energieübertragung von den Heizelementen 61, 63 des Düsenkopfes 6 in die flüssige Phase 12 des Materials, bzw. der Schmelze 12. Dies wird insbesondere durch eine Erhöhung der Kontaktfläche zum Hohlraum 40 und somit der plastischen Phase 11 des Materials erreicht.
Eine weitere Aufgabe ist die Führung der Kolbennadel 32, wobei der Kontakt der Kolbennadel 32 innerhalb der Bohrung 70 zusätzlich für ein Anheizen der Kolbennadel 32 auf die benötigte Prozesstemperatur sorgt. Die Heizenergie vom ersten Heizelement 61 ist über das Nierenstück 7 in die Kolbennadel 32 innerhalb der Bohrung 70 einbringbar. Die Endgültige Prozesstemperatur wird erst im Düsenkopf 6 zu Düse 8 hin erreicht. Während eines Befüllvorganges des Druckkopfes 100 wird die Düse 8 bei Bedarf verschlossen und beim Ansteuern des Kolbens 3 durch die Aktorvorrichtung 110 wird das sich im Hohlraum 40 und Schmelzeraum 81 angeordnete Material 10, 11, 12 durch den Kolbenvorschub komprimiert.
Während eines Verdichtungsprozesses 230 zur Herstellung von flüssiger Phase 12 des Materials wird die Düse 8 verschlossen und die Kolbennadel 32 ist derart in den Schmelzeraum 81 eingetaucht, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase 12 aus einem oberen Bereich des Schmelzeraums 81 durch die Öffnungen 71 des Nierenstücks 7 zurück in den Hohlraum 40 der Kolbenbuchse 4 verdrängt wird, wodurch sich der verdrängte Teil der flüssigen Phase 12 mit der plastischen Phase 11 im Hohlraum 40 vermischt.
Der Düsenkopf 6 umfasst die Heizelemente 61, 63 des Druckkopfes 100, wobei ein erstes Heizelement 61 im oberen Düsenkopf 60 angeordnet ist und ein zweites Heizelement 63 im unteren Düsenkopf 62 angeordnet ist. Der obere Düsenkopf 60 weist einen Teilabschnitt 64 auf, der zwischen dem oberen 60 und dem unteren 62 Düsenkopf angeordnet ist und an dem das Nierenstück 7 aufliegt. Im Bereich der Düse 8 ist ein Kühlring 84 an dem Düsenkopf 6 angeordnet. Dieser kühlt das zu druckende Bauteil und es schirmt das Bauteil thermisch vom Druckkopf 100 ab.
Die Heizelemente 61, 63 im Düsenkopf 6 erhitzen das Material 10, 11, 12 innerhalb des Hohlraums 40, des Nierenstücks 7 und des Schmelzeraums 82 bis die flüssige Phase 12 des Materials ihre Prozesstemperatur erreicht hat und aus der Düse 8 ausgetragen werden kann. Der Schmelzeraum 82 ist derart ausgebildet, dass er sich von dem Teilabschnitt 64 des oberen Düsenkopfes 60 bis zur Düse 8 verjüngt. Der konische Zulauf des Schmelzeraums 81 ermöglicht eine Steigerung des Volumenstroms und verhindert die Ablagerungen des Materials an der Innenwand des Düsenkopfs 6. Dadurch, dass im Verhältnis zu einem zylinderförmigen Schmelzeraum 81, weniger Material 12, bzw. Volumen in einem konisch zulaufenden Schmelzeraum 81 ist, wird der Mischprozess weiter optimiert. Die Kolbennadel 32 muss dadurch weniger Volumen verdrängen, um beim Verdichten Teile der Schmelze 12 durch die Öffnungen 71 des Nierenstücks 7 aus dem Schmelzeraum 81 in den Hohlraum 40 zurückzudrängen.
Ferner umfasst der Druckkopf 100 weitere Sensoren, wobei im Schmelzeraum 81 ein Drucksensor 83 für den Druck pi_, und ein Temperatursensor 82 für die Temperatur TL der flüssigen Phase 12 des Materials angeordnet ist. Weitere Sensoren sind an der Aktorvorrichtung 110 angeordnet, wobei ein Wegmesssystem 111 für die Position s des Kolbens 3, und ein Sensor 112 für die vom Kolben 3 auf das Material 10, 11 ausgeübte Kraft F oder für einen auf den Kolben 3 ausgeübten Hydraulikdruck PH, vorgesehen sind. In einer alternativen Ausführung können die Sensoren 111, 112 auch am Kolben 3 des Druckkopfes 100 angeordnet sein.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Druckkopfes 100 in einer um 90° gedrehten Ansicht, wobei ausgehend vom oberen Teilbereich 41 der Kolbenbuchse 4 über das Nierenstück 7 bis hin zur Düse 8 Zustandszonen A, B, C, D, E des mit Material 10, 11, 12 befüllten Druckkopfes 100 während des Betriebs dargestellt sind. Die Zustandszonen A, B, C, D, E stellen einen Aggregatzustand des Materials 10 in Abhängigkeit seiner Temperatur Ts dar, wobei der Aggregatzustand des Materials 10 über die Zustandszonen A, B, C, D, E hinweg von einer festen Phase 10 über eine plastische Phase 11 in eine flüssige Phase 12 veränderbar ist.
Die Temperatur Ts, bzw. der Temperaturverlauf des Materials 10, 11, 12 innerhalb des Druckkopfes 100 ist in einem über dem Druckkopf 100 dargestellten Diagramm gezeigt, wobei diese über den Weg s, bzw. der Länge eines Arbeitsbereichs 120 des Druckkopfes 100 dargestellt ist.
Die Zustandszonen A, B, C, D, E des Druckkopfes 100 umfassen eine Kalte Zone A mit Material in fester Phase 10, eine Plastifizierungszone B mit Material in plastischer Phase 11, eine Schmelzezone D und eine Prozesszone E mit jeweils Material in flüssiger Phase 12. Ferner umfassen die Zustandszonen eine Mischzone C mit Material in plastischer 11 und flüssiger 12 Phase. Die Kühlvorrichtung 50 im Flansch 5 und die im Kolben 3 integrierte Kolbenkühlung 33 sind vorgesehen, um die Temperatur Ts der plastischen Phase 11 des Materials in der Plastifizierungszone B auch dann unterhalb einer Glasübergangstemperatur Tg zu halten, ab der das Material 11 plastifiziert und in eine flüssige Phase 12 übergeht. Die Plastifizierungszone B mit dem Material in plastischer Phase 11 beschreibt in den hier gezeigten Ausführungen einen Zustand des Materials, bzw. des Granulats in dem sich die Viskosität des Granulats bereits verändert, wodurch ein Verdichtungs- und ein Mischprozess optimiert werden, jedoch geht die plastische Phase 11 des Granulats gerade noch nicht in die flüssige Phase 12 über.
Ferner umfasst der Düsenkopf 6 zwei Heizzonen 65, 66.
In der ersten Heizzone 65 sind ein Teilbereich der Plastifizierungszone B, die Mischzone C und ein Teilbereich der Schmelzezone D angeordnet, wobei ein erstes Heizelement 61 im oberen Düsenkopf 60 derart angeordnet ist, dass die Heizenergie vom ersten Heizelement 61 über den unteren Teilbereich der Kolbenbuchse 42, das Nierenstück 7 und einem Teilabschnitt 64 des oberen Düsenkopfs in das Material 10, 11, 12 einbringbar ist.
In der zweiten Heizzone 66 sind ein Teilbereich der Schmelzezone D und die Prozesszone E angeordnet, wobei ein zweites Heizelement 63 im unteren Düsenkopf 62 derart angeordnet ist, dass die Heizenergie vom zweiten Heizelement 63 über den unteren Düsenkopf 62 in die flüssige Phase 12 des Materials einbringbar ist.
Aus dem Diagramm ist zu entnehmen, dass sich die Temperatur Ts des Materials 10, 11, 12 stetig über den Weg s des Arbeitsbereichs 120 des Druckkopfes 100 erhöht. In der Kalten Zone A ist die Wirkung der Kühlvorrichtung 50 des Flansches 5 vorherrschend, wodurch das Granulat 10 nur langsam über den Weg s erwärmt wird. Ab der Plastifizierungszone B beginnt der Einfluss der ersten Heizzone 65 mit dem ersten Heizelement 61 zuzunehmen, wobei die Temperaturkurve bis zum Erreichen der Glasübergangstemperatur Tg stark ansteigt und ab dort die Mischzone C beginnt. Die Temperatur Ts steigt in der Mischzone C mit einer geringeren Steigung weiter an bis die Schmelzezone D erreicht wird. Dort beginnt die Einflusszone der zweiten Heizzone 66 mit dem zweiten Heizelement 63, wobei dieses die Temperatur Ts der Schmelze 12 stark ansteigen lässt, bis die Prozesstemperatur der Schmelze 12 in der Prozesszone E erreicht wird und druckfähige Schmelze 12 entstanden ist.
Die Temperatur Ts muss so eingestellt sein, dass das Granulat 10 beim Befüllen in den Hohlraum 40 hineinrieseln kann, ohne zu verkleben aber auch derart vorgewärmt wird, dass ein Abscheren des Materials 10, 11 am Anschnitt 44 mit möglichst wenig Kraftaufwand möglich ist. Das Temperaturmanagement des Druckkopfes 100 ist dabei so eingestellt, dass die Kühlvorrichtung 50 im Flansch 5 eine Kühltemperierung von ca. 40°C in die Kolbenbuchse 4 und dadurch in das Material 10, 11 einbringt und das erste Heizelement 61 der ersten Heizzone 65 eine Heiztemperierung von ca. 30°C unterhalb der Glasübergangstemperatur Tg, bzw. der Schmelzetemperatur des Materials 10, 11, 12.
Dieser Effekt wird durch die Kolbenkühlung 33 unterstützt. Durch die Abkühlung des Materials 11, 12 am Kolbenboden 35 verringert sich lokal die Viskosität des Materials 11, 12, wodurch sich dieses beim Zurückziehen des Kolbens 3 von diesem löst, ohne Fäden zu ziehen. Dabei wird Raum für neues Material 10 geschaffen, wenn der Kolben 3 den Öffnungsquerschnitt 21 zur Zuführeinrichtung 2 freigibt.
Der Temperatursensor 36 am Kolbenboden 35 misst die Temperatur TK an der Kontaktstelle des Kolbens 3 zum Material 10, 11, wodurch die Kühl- und die Heizleistung des Druckkopfes 100 berechnet werden kann, so dass die Glasübergangstemperatur Tg des Materials 10 nicht überschritten wird. Aufgrund der Anordnung des Temperatursensor 36, bzw. Temperaturfühlers am Kolbenboden 35 ist ein kolbenpositionsabhängiges Regeln der Heizelemente 61, 63 und dadurch ein Einstellen der Temperatur Ts möglich. Dadurch wird ein schnelleres Aufheizen des Materials 11, 12 erreicht. Das Thermomanagement des Druckkopfes 100 ermöglicht so auch eine Verarbeitung von Kunststoffen mit niedriger Schmelztemperatur von kleiner 60 bis 80°C.
Während eines Verdichtungsprozesses zur Herstellung von flüssiger Phase 12 des Materials in der Prozesszone E ist die Düse 8 verschlossen. Die Düse 8 kann beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Verschlussventil verschlossen werden, oder durch das Positionieren des Druckkopfes 100 auf eine Platte im Bauraum des Druckers. Ferner kann auch ein bereits gedruckter Bereich eines Bauteils 9 angefahren werden und die Düse 8 dadurch verschlossen werden. Die Kolbennadel 32 ist während des Verdichtungsprozesses derart in den Schmelzeraum 81 eingetaucht und bewegt sich weiter in diesen hinein, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase 12 aus der Schmelzezone D zurück in die Mischzone C verdrängt wird, wodurch sich in der Mischzone C der Teil der flüssigen Phase 12 mit der plastischen Phase 11 aus der Plastifizierungszone B vermischt.
Die flüssige Phase 12 aus der Schmelzezone D wird dabei aus dem oberen Bereich des Schmelzeraums 81 durch die Öffnungen 71 des Nierenstücks 7 zurück in den Hohlraum 40 der Kolbenbuchse 4 in die Mischzone C verdrängt.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Druckkopfes 100 mit einer Steuer- und Regeleinheit 113 für eine aktive Regelung der Aktorvorrichtung 110 zum Verfahren des Kolbens 3 und einer Auswerteeinheit 114, die dazu ausgebildet ist, die Messwerte der Sensoren 36, 82, 83, 111, 112 auszuwerten und die Ergebnisse an die Steuer- und Regeleinheit 113 zur aktiven Regelung der Aktorvorrichtung 110 und zur aktiven Regelung der Heizelemente 61, 63 weiterzugeben.
Die Steuer- und Regeleinheit 113 ist für eine aktive Regelung der Aktorvorrichtung 110 zum Verfahren des Kolbens 3 entsprechend einer auszuführenden Betriebsstrategie zum Befüllen und Drucken und für eine aktive Regelung der Temperaturen des ersten 61 und zweiten 63 Heizelements vorgesehen.
Maßgeblich für die aktive Regelung der Aktorvorrichtung 110 sind die von der Auswerteeinheit 114 empfangenen Sensorsignale und die aus den jeweiligen Werten berechneten Ergebnisse.
Der Drucksensor 83 für den Druck pi_, und der Temperatursensor 82 für die Temperatur TL der flüssigen Phase 12 sind im Schmelzeraum 81 angeordnet.
Das Wegmesssystem 111 für die Position s des Kolbens 3, und der Sensor 112 für die vom Kolben 3 auf das Material 10, 11 ausgeübte Kraft F oder für einen auf den Kolben 3 ausgeübten Hydraulikdruck PH, sind an der Aktorvorrichtung 110 oder am Kolben 3 angeordnet.
Ferner ist am Kolben 3 der Temperatursensor 36 für die Temperatur TK der plastischen Phase 11 des Materials angeordnet. Die durch gestrichelte Pfeile dargestellten Signale s, F, PH, TK, TL, PL der Sensoren 111, 112, 36, 82, 83 werden an die Auswerteeinheit 114 übertragen, anschließend in dieser oder in einer Cloud ausgewertet und die Ergebnisse entsprechend einer Betriebsstrategie als Steuergröße i an die Steuer- und Regeleinheit 113 übertragen und die Aktorvorrichtung 110, sowie die Heizelemente 61, 63 entsprechend angesteuert.
Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 200 zum Betreiben des erfindungsgemäßen Druckkopfes 100, wobei das Verfahren 200 folgende Schritte umfasst:
- Befüllen 210 des Hohlraums 40 mit druckbarem Material 10 durch die Zuführeinrichtung 2,
- Verschließen 220 eines Öffnungsquerschnitts 21 der Kolbenbuchse 4 durch Vorschub, bzw. Verfahren des Kolbens 3 ausgehend von einer Startposition 3a in Richtung der Düse 8,
- Verdichten 230 des Materials 10,
- Umwandeln 240 des Materials von einer festen Phase 10 in eine flüssige Phase
12,
- Ausbringung 250 der flüssigen Phase 12 des Materials aus der Düse 8 zum Drucken eines dreidimensionalen Bauteils 9 bis eine Endposition 3z des Kolbens 3 erreicht wird oder bis zur Fertigstellung des Bauteils 9,
- Zurückfahren 260 des Kolbens 3 in die Startposition 3a und
- Wiederholung 270 der Schritte 210 bis 260 bis zur Beendigung des Verfahrens 200.
Zumindest das Verschließen 220, das Verdichten 230, das Umwandeln 240 und die Ausbringung 250 des Verfahrens 200 werden durch eine aktive Regelung der Aktorvorrichtung 110 durch die Steuer- und Regeleinheit 113 durchgeführt, wobei die Ergebnisse der Auswerteeinheit 114 aus den Messwerten der Sensoren 36, 82, 83, 111, 112 an die Steuer- und Regeleinheit 113 weitergegeben werden.
Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Druckkopfes 100 und zwei Diagramme 5a, 5b, die einen Druck-, bzw. Druck-, Kraftverlauf während des Betriebs, bzw. verschiedener Verfahrensschritte des Verfahrens 200 zum Betreiben des Druckkopfes 100 darstellen. Fig. 6 zeigt die unterschiedliche Positionen des Kolbens 3 zu den verschiedenen Verfahrensschritten, bzw. Zuständen aus Fig. 5 beginnend bei der Startposition 3a bis zur Endposition 3z des Kolbenbodens 35. Während der Ausführung der Verfahrensschritte sind die Kühlvorrichtungen 50, 33 im Flansch 5 und Kolben 3, sowie die Heizelemente 61, 63 aktiv und der Schmelzeraum 81, sowie das Nierenstück 7 sind mit Schmelze 12 gefüllt und im unteren Teilbereich des Hohlraums 40 befindet sich noch Granulat in plastischer Phase 11.
Die Ausschnitte des dargestellten Druckkopfes 100 entsprechen dem des in den Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellten erfindungsgemäßen Druckkopfes 100, so dass die Bezugszeichen der vorherigen Figuren zur Beschreibung der Figuren 5 und 6 herangezogen werden, wobei neue Merkmale und Bezüge, beispielsweise die jeweilige Position des Kolbens 3 mit Bezug zum Kolbenboden 35 in den Figuren 5 und 6 gekennzeichnet ist.
Fig. 5 zeigt im ersten Diagramm 5a zwei Kurvenverläufe, die über dem vom Kolben 3 zurückgelegten Weg s aufgetragen sind. Der Weg s wird von dem Wegmesssystem 111, bzw. Wegsensor 111 an der Aktorvorrichtung 110 oder am Kolben 3 gemessen.
Die obere Kurve stellt einen Kraft-, Druckverlauf für die vom Kolben 3 auf das Material 10, 11 ausgeübte Kraft F oder für den auf den Kolben 3 ausgeübten Hydraulikdruck PH während des Vorschubs des Kolbens 3 durch die Aktorvorrichtung 110 beim Verschließen 220 und Verdichten 230 dar, wobei der Kraft-, bzw. Drucksensor 112 an der Aktorvorrichtung 110 oder am Kolben 3 angeordnet ist.
Die untere Kurve im Diagramm 5a stellt einen Druckverlauf des Schmelzedrucks PL im Schmelzeraum 81 über dem Weg s des Kolbens 3 während des Verdichtens 230 dar. Der Drucksensor 83 für den Druck pi_ der flüssigen Phase 12, bzw. der Schmelze 12 ist im Schmelzeraum 81 angeordnet.
Im zweiten Diagramm 5b ist ein Teilausschnitt der unteren Kurve des ersten Diagramms 5a dargestellt, wobei auch hier der Druckverlauf des Schmelzedrucks pi_ im Schmelzeraum 81 über dem Weg s des Kolbens 3 während des Verdichtens 230 dargestellt ist (Kurvenverlauf von pc zu pd). Fig. 6a zeigt eine Startposition 3a des Kolbens 3 während des Befüllprozesses 210 des Druckkopfes 100, wobei der Kolbenboden 35 an der Oberseite der Öffnung 21 der Kolbenbuchse 4 positioniert ist. Der Befüllprozess 210 wird auch Refillprozess genannt, da es sich um einen wiederkehrenden Ablauf handelt, der während des Drückens eines Bauteils 9 beliebig wiederholt wird. Die in Fig. 6a gezeigte Position des Kolbens 3 ist analog der Position des Kolbens 3 aus Fig. 1. Die Öffnung 21, bzw. der Öffnungsquerschnitt 21 der Kolbenbuchse 4 ist geöffnet und das Granulat 10 kann über die Zuführeinrichtung 2 in den Hohlraum 40 der Kolbenbuchse 4 eingebracht werden. Anschließend wird der Kolben 3 durch die Aktorvorrichtung 110 in die in Fig. 6b gezeigte Position 3b gesteuert. Der Kolbenboden 35 gleitet dabei am Anschnitt 44 der Kolbenbuchse 4 vorbei und das von der Öffnung 21 in den Hohlraum 40 überstehende Granulat 10 wird zwischen Kolbenboden 35 und Anschnitt 44 abgeschert. Daher wird diese Position Abscherposition 3b genannt. Nach dem Abscheren ist der Öffnungsquerschnitt 21 verschlossen 220.
Der Kraft-, Druckverlauf F, PH steigt von der Startposition 3a bis zur Abscherposition 3b an, wobei der Kraftaufwand der Aktorvorrichtung 110 am Anschnitt 44, bzw. an der Abscherposition 3b am höchsten ist, da die Aktorvorrichtung 110 die Kraft zum Abscheren des Granulats 10 aufbringen muss. Der Kraftaufwand lässt sich durch geeignete Maßnahmen wie die Optimierung der Anschnittgeometrie in Verbindung mit der Beschaffenheit des Kolbenbodens 35 und einer Vorerwärmung des Granulats 10 reduzieren. Der Druckverlauf pi_ der Schmelze 12 verändert sich dahingegen nur gering, bzw. steigt kaum an, da die Düse 8 noch geöffnet ist und sich im Schmelzeraum 81 kein Druckaufbau einstellt.
Anschließend wird der Kolben 3, kraft-, bzw. druckgesteuert durch die Aktorvorrichtung 110 bis zur Position 3c gefahren. Beim Verschieben des Kolbens 3 wird die auf das Material, bzw. Granulat 10, 11 ausgeübte Kraft F oder der auf den Kolben 3 ausgeübter Hydraulikdruck PH, sowie der Druck pi_ in der Schmelze 12 gemessen. Durch das Verschieben des Kolbens 3 wird das Material 10, 11, 12 vorverdichtet.
Die Position 3c wird definiert durch den Kraft-, bzw. Druckanstieg, das heißt die Position 3c wird angesteuert, wobei kein direkter Punkt, sondern eine Flanke der im Diagramm 5a dargestellten Kurven angesteuert wird. Die Flanke entsteht an einem Wechselpunkt pi_c, Fc, PHC von jeweils der Geraden mit geringer, bzw. keiner Steigung (der Bereich von Position 3a bis Position 3c) bis zum Anstieg der Kurve (an Position 3c), an der eine vordefinierte Steigung, bzw. ein vordefinierter Steigungswinkel erreicht und/oder überschritten wird. Die Position 3c befindet sich im ersten Drittel der Plastifizierungszone B. Das Granulat 10, 11 wird in der Plastifizierungszone B durch den Vorschub des Kolbens 3 komprimiert, wobei sich gleichzeitig in der Schmelzezone D zwischen dem Hohlraum 40 und der Düse 8 Schmelze 12 befindet. Das plastifizierte Granulat 11 wird dadurch in der Mischzone C in die Schmelze 12 hineingedrückt.
Durch das Absenken des Kolbens 3 und analog der Kolbennadel 32 in Richtung Düse 8 tritt bereits Schmelze 12 aus der Düse 8 aus, wodurch erreicht wird, dass möglicherweise noch vorhandene Luft, bzw. Lufteinschlüsse aus dem Düsenkopf 6 verdrängt werden. Dadurch wird die Düse 8 frei.
Die Position 3c wird Verfahrens- und materialbedingt mit einer Toleranz versehen, wodurch bei verschiedenen, nacheinander durchgeführten Befüllvorgängen des Druckkopfes 100 die Position 3c des Kolbens 3 leicht unterschiedlich sein kann. Die Position 3c ist daher kein fester Punkt. Wenn die Position 3c innerhalb der vorgegebenen Toleranz liegt, ist sichergestellt, dass der Befüllprozess 210 erfolgreich war, das heißt, dass genug Granulat 10 in den Hohlraum 40 eingefüllt wurde und das der Schmelzeraum 81 bereits mit Schmelze 12 befüllt ist. Wenn die Flanke beispielsweise zu weit vor der Position 3c beginnt, ist im Bereich vom Kolbenboden 35 bis zur Düse 8 zu viel hochviskoses, bzw. hartes Material 10, 11 und der Mischprozess in der Mischzone C war ggf. nicht erfolgreich. Wenn die Flanke beispielsweise erst weit hinter der Position 3c beginnt, ist ggf. zu wenig Material 10 nachgefüllt worden.
Nach Erreichen der Position 3c wird die Düse 8 des Druckkopfes 100 verschlossen.
Das Vorverdichten 310 ist abgeschlossen und zum Verdichten 330 wird der Kolben 3 ausgehend von Position 3c druckgesteuert vorgeschoben, bis ein vorab definierter Peakdruck pd erreicht wird und der Kolbenboden 35 auf die in Fig. 6c gezeigte Position 3d gefahren wurde. Der Peakdruck pd kann je nach Material 10 und Bedarf zwischen ca. 100 und 300bar liegen.
Während des Verdichtens 330 ist die Düse 8 verschlossen und die Kolbennadel 32 taucht derart in den Schmelzeraum 81 ein, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase 12 aus dem oberen Bereich des Schmelzeraums 81 durch die Öffnungen 71 des Nierenstücks 7 aus der Schmelzezone D zurück in die Mischzone C verdrängt wird, wodurch sich der Teil der flüssigen Phase 12 mit der plastischen Phase 11 aus der Plastifizierungszone B in der Mischzone C vermischt.
Anschließend wird die sogenannte Peakdruckposition 3d, bzw. Halteposition 3d für einen materialabhängigen vordefinierten Zeitraum gehalten.
Während des Haltens 340 des Kolbens 3 in der Halteposition 3d ist die Düse 8 weiterhin verschlossen und die Kolbennadel 32 ist derart in den Schmelzeraum 81 eingetaucht, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase 12 aus dem oberen Bereich des Schmelzeraums 81 durch die Öffnungen 71 des Nierenstücks 7 aus der Schmelzezone D zurück in die Mischzone C verdrängt wird, wodurch sich der Teil der flüssigen Phase 12 mit der plastischen Phase 11 aus der Plastifizierungszone B in der Mischzone C vermischt. Der Kolbenboden 35 ragt dabei in die erste Heizzone 65 und die Kolbennadel 32 in den Schmelzeraum 81 hinein und während des Haltens fließt ein Teil der Schmelze 12 aus dem Schmelzeraum 81 des Düsenkopfes 6 durch die Öffnungen 71 des Nierenstücks 7 zurück in die Mischzone C in das dort befindliche plastische Granulat 10. Dadurch wird Restluft verdrängt und Schmelze 12 wird in der Mischzone C homogenisiert. Dadurch wird ein besserer Energiefluss erreicht und ein homogeneres Material 11, 12 erzeugt. Die zurückfließende Schmelze 12 wird plastisch und die Granulatanteile 11, welche in das Nierenstück 7 geschoben werden, werden schmelzeförmig. Dadurch entsteht ein Vermischen des Materials 11, 12.
Der hier beschriebene Haltevorgang dient zudem zur Analyse und zu einem Systemcheck des Druckkopfes 100, da sich folgende Effekte bei der Druckmessung des Drucks pi_ ergeben können. Ein Druckanstieg des Drucks pi_ in der Schmelze 12 würde bedeuten, dass die Schmelze 12 ausgast, weil beispielsweise die Temperatur TL zu hoch ist. Zu hohe Schmelzetemperaturen TL sind nicht gewünscht, da Luftplasma entstehen kann, was zu einem chemischen Zerfall führen würde. Ein starker Druckabfall des Schmelzedrucks pi_ könnte beispielsweise bedeuten, dass das System des Druckkopfs 100 undicht ist oder noch zu viel Luft im System war. Dieser Effekt könnte auftreten, wenn beispielsweise zu viel kaltes Material 10, 11 im Hohlraum 40 vorhanden war, weil das Temperaturmanagement des Druckkopfes 100 nicht optimal eingestellt war.
Nach Ablauf des vordefinierten Zeitraums wird der Kolben 3 aus der Peakdruckposition 3d von der Aktorvorrichtung 110 druckgesteuert zurückgefahren, bis ein Zieldruck pe von ca. Obar erreicht wird. Das System wird entspannt. Dadurch wird erreicht, dass die Schmelze 12 druckentlastet und entlüftet ist, wodurch eine reine Schmelze 12, insbesondere in der Prozesszone E entstanden ist, die nun qualitativ hochwertig und druckfähig ist. Bei Erreichen des Zieldrucks pe wird die in Fig. 6d dargestellte Zieldruckposition 3e erreicht, wobei der Kolbenboden 35 außerhalb der ersten Heizzone 65 im Bereich des Anschlags 43 der Kolbenbuchse 4 positioniert ist.
Der nun gemessene Druckunterschied zwischen dem Druck pd der Peakdruckposition 3d und dem Druck pe der Zieldruckposition 3e und der zwischen den beiden Punkten 3d, 3e zurückgelegte Weg s ergibt eine Federkonstante der flüssigen Phase 12 des Materials, bzw. der Schmelze 12.
Die Federkonstante ergibt sich aus der Kompressibilität der Schmelze 12 und führt zu einem Korrekturfaktor, bzw. Formfaktor, der zur exakten Ansteuerung des Kolbens 3 durch die Aktorvorrichtung 110 benötigt wird.
Aufgrund der Kompressibilität der Schmelze entsprechen beispielsweise 1,2 Volumeneinheiten eines geometrischen, durch den Kolben 3 zurückgelegten Kolbenwegs s, 1,0 Volumeneinheiten eines ausgetragenen Volumens der Schmelze 12. Ohne Kompressibilität wäre das Verhältnis 1:1.
Dadurch wird erreicht, dass die Aktorvorrichtung 110 den Kolben 3 geregelt ansteuern kann, wobei die Federkonstante es unter anderem ermöglicht, dass der reale Austrag der Schmelze 12 den korrekten, berechneten Volumenstrom der Schmelze 12 in Abhängigkeit einer Bahngeschwindigkeit des bewegten Druckkopfes 100 beim Drucken erreicht. Das heißt, dass an jeder Druckposition bei jeder Bahngeschwindigkeit des Druckkopfes 100 die jeweils benötigte Menge Schmelze 12 auf das Bauteil 9 ausgebracht wird. Anschließend wird der Druckprozess 250 über ein aktives Dekomprimieren durch ein Zurückziehen des Kolbens 3 vorbereitet.
Der Kolben 3 wird dabei abhängig von der ermittelten Federkonstante um ca. 1 bis 2 Millimeter zurückgezogen, wodurch erreicht wird, dass keine Schmelze 12 aus der Düse 8, bzw. Düsenöffnung austritt, wenn diese anschließend geöffnet wird. Dies wäre bei einem weiteren Halten der Position 3e aufgrund des vorhandenen offenen Systems durch den Einfluss der Schwerkraft der Fall. Gleichzeitig wird die Schmelze 12 analog einer Feder entlastet.
Anschließend beginnt die weitere Druckvorbereitung durch Kompression.
Das Gesamtsystem des Druckkopfes 100 ist, wie bereits beschrieben, ein kompressibles System, da die Schmelze 12 beispielsweise eine Kompression von ca. 20% aufweisen kann. Daher entspricht das durch den Vorschub des Kolbens 3 verdrängte Volumen nicht dem Volumen des ausgetragenen Materials 12, wodurch sich ungenaue und unregelmäßige Austräge ergeben können. Das mögliche Volumen der Schmelze 12 für einen Vorschub des Druckprozesses 250 wird definiert von der Zielposition 3e und dem Weg zur in Fig. 6e gezeigten Endposition 3z.
Aufgrund des oben beschriebenen Effekts wird die Schmelze 12 während des Druckbeginns komprimiert. Die Kompression der Schmelze 12 im Schmelzeraum 81 zu Druckbeginn wird zu einem Teil über Reibung an der Düsenöffnung der Düse 8 beim "Herauspressen" der Schmelze 12 erzeugt und zu einem Teil über den Widerstand beim Drucken auf das Bauteil 9 oder einen Substratträger, auf dem das Bauteil 9 aufgebaut wird.
Ein gleichmäßiger Austrag der Schmelze 12 wird durch eine intelligente Regelung des Druckkopfes 100 erreicht, wobei asynchrone, um einen Korrekturfaktor angepasste Bewegungen des Kolbens 3 durch den Einsatz eines elektronischen Getriebes an der Aktorvorrichtung 110 erfolgen. Der Korrekturfaktor, der sich insbesondere aus der ermittelten Federkonstante der Schmelze 12 ergibt, wird sozusagen in das System eingemischt. Daher weist der erfindungsgemäße Druckkopf 100 keine Einschränkung auf synchrone Bewegungen analog üblicher NC Systeme auf. Der Druckprozess 250 wird druckgeregelt durchgeführt, wobei der Druck pi_ der Schmelze 12 permanent über den Drucksensor 83 im Düsenkopf 6 gemessen wird. Der gemessene Druck pi_ ist der Druck der durch Austrag der Schmelze 12 auf das Bauteil 9, bzw. auf den Substratträger (falls noch kein Bauteil vorhanden) entsteht. Ohne diesen Effekt, dass man auf ein Objekt druckt, wäre kein Gegendruck an der Düse 8 vorhanden, außer dem eines Reibungsdrucks, wodurch zu viel Material/Schmelze 12 aus der Düse 8 ausgetragen werden würde.
Der Druckprozess 250 wird gestartet, indem aktiv Schmelze 12 durch die intelligente Regelung und Ansteuerung des Kolbens 3 eingemischt wird. Dabei wird "mehr" Hub ausgeführt, um die Kompressibilität der Schmelze 12 auszugleichen. Dabei wird prinzipiell zu viel Schmelze 12 aus der Düse 8 gedrückt, jedoch wird der Drucksensor 83 parallel zur Einmischung der Schmelze 12 ausgelesen, wodurch entsprechend druckabhängig gegengeregelt werden kann.
Eine elektrisch angetriebene Aktorvorrichtung 110 erweist sich für diesen Fall als dynamisch und sehr effektiv.
Während des Druckprozesses 250 wird kontinuierlich die Schmelzetemperatur Ts gemessen und in der Heizzone 2 wird die Schmelze 12 über die Heizelemente 63 im Düsenkopf 6 auf den erforderlichen Sollwert der Prozesstemperatur im Bereich der Prozesszone E geregelt.
Der Kolben 3 wird zum Druckstart entsprechend einer Bahngeschwindigkeit des Druckkopfes 100 von der Aktorvorrichtung 110 angesteuert, wodurch Schmelze 12 aus der Düse 8 ausgetragen wird.
Während des Druckprozesses wird die Steuer- und Regeleinheit 113 des Druckkopfes 100 aktiviert und greift aktiv in die Ansteuerung der Aktorvorrichtung 110 ein, um beispielsweise bei Bedarf einen additiven Sollwert, bzw. eine additive Menge an Material 12 zuzumischen. Falls beispielsweise ein additiver Sollwert zugemischt wird und dadurch mehr Material 12 aus der Düse 8 ausgetragen, bzw. extrudiert wird als durch eine kontinuierliche Ansteuerung, erhöht sich als Resultat auch der Druck pi_ am Düsenkopf 6. Der additive Sollwert ist dabei der eingemischte Wert, bzw. der zusätzliche Kolbenweg, der zurückgelegt werden muss, um entsprechend des Korrekturwerts, ermittelt aus der Federkonstante, das gewünschte Volumen an Schmelze 12 auszutragen. Dadurch wird ein eingeschwungener Zustand erreicht, wodurch die auf das Bauteil 9 ausgetragene Menge der Schmelze 12 konstant bleibt.
Durch den Vorschub des Kolbens 3 und der daraus resultierenden Druckerhöhung in der Schmelze 12 wird die virtuelle "Feder" der Schmelze 12 kleiner, bzw. steifer. Dieser entstandene technische Effekt wird durch die Steuer- und Regeleinheit 113 nachgeregelt, wodurch weiterhin während des Druckprozesses 250 die exakte Menge der Schmelze 12 aus der Düse 8 ausgetragen wird.
Der Einsatz der Kolbennadel 32 sorgt dabei für den vorteilhaften Effekt, dass durch diese eine direkte Volumenverdrängung innerhalb der Schmelze 12 im Schmelzeraum 81 möglich ist, wodurch eine kleinere Federkonstante erreicht wird. Die kleine Federkonstante ermöglicht wiederum eine hohe Dynamik des Druckkopfes 100. Der Effekt ergibt sich daraus, dass durch die Kolbennadel 32 eine direktere Druckübertragung auf die Schmelze 12 erfolgt. Beim Vorschub des Kolbens 3 überträgt somit nicht nur der Kolbenboden 35 einen Druckimpuls zum Austragen der Schmelze 12 aus der Düse 8, sondern auch die näher an der Düse 8 positionierte Kolbennadel 32.
Der Druckprozess 250 ist maximal ausführbar, bis der Kolbenboden 35 die Position 3z erreicht, wobei die Position 3z derart festgelegt ist, dass der Kolbenboden 35 gerade nicht einen mechanischen Anschlag erreicht, sondern wie in Fig. 6e dargestellt, kurz vor Erreichen des Nierenstücks 7 zum Stehen kommt. Danach kann kein Material 12 mehr ausgetragen werden und der oben beschriebene Befüllprozess 210, bzw. Refillprozess wird erneut gestartet.
Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verdichtungsprozesses 230 des erfindungsgemäßen Verfahrens 200 zum Betreiben des erfindungsgemäßen Druckkopfes 100.
Der Verdichtungsprozess 230 umfasst folgende Schritte:
- Vorverdichten 310 des Materials 10, 11, 12 durch Vorschub des Kolbens 3,
- Verschließen 320 der Düse 8, - Verdichten 330 des Materials 10, 11, 12 durch Vorschub des Kolbens 3 und
- Halten 340 des Kolbens 3 in einer Halteposition 3d.
Das Vorverdichten 310 wird durch kraft-, bzw. druckgesteuertes Ansteuern des Kolbens 3 durch die Aktorvorrichtung 110 ausgeführt, wobei sich die Zielposition 3c des Kolbenbodens 35 im ersten Drittel der Plastifizierungszone B, ausgehend von der Kalten Zone A, befindet. Das Granulat 10, 11 wird in der Plastifizierungszone B durch den Vorschub des Kolbens 3 komprimiert, wobei sich gleichzeitig in der Schmelzezone C zwischen dem Hohlraum 40 und der Düse 8 Schmelze 12 befindet. Das plastifizierte Granulat 11 wird dadurch in der Mischzone C in die Schmelze 12 hineingedrückt.
Durch das Absenken des Kolbens 3 und analog der Kolbennadel 32 in Richtung Düse 8 tritt bereits Schmelze 12 aus der Düse 8 aus, wodurch erreicht wird, dass möglicherweise noch vorhandene Luft, bzw. Lufteinschlüsse aus dem Düsenkopf 6 verdrängt werden. Dadurch wird die Düse 8 frei.
Nach Erreichen der Zielposition 3c des Vorverdichtens 310 wird die Düse 8 des Druckkopfes 3 verschlossen 320.
Zum Verdichten 330 des Materials 10, 11, 12 wird der Kolben 3 durch die Aktorvorrichtung 11 druckgesteuert vorgeschoben bis ein definierter Peakdruck Pd und damit eine Peakdruckposition 3d, bzw. Halteposition 3d erreicht wird. Dabei ist in einer Weiterbildung des Verfahrens 200 zum Betreiben des Druckkopfes 100 während des Verdichtens 330 die Düse 8 verschlossen und die Kolbennadel 32 taucht derart in den Schmelzeraum 81 ein, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase 12 aus dem oberen Bereich des Schmelzeraums 81 durch die Öffnungen 71 des Nierenstücks 7 aus der Schmelzezone D zurück in die Mischzone C verdrängt wird, wodurch sich der Teil der flüssigen Phase 12 mit der plastischen Phase 11 aus der Plastifizierungszone B in der Mischzone C vermischt.
Anschließend wird die sogenannte Peakdruckposition 3d für einen materialabhängigen vordefinierten Zeitraum gehalten, daher ist die Peakdruckposition 3d auch die Halteposition 3d des Druckkopfes 100. In einer Weiterbildung des Verfahrens 200 ist während des Haltens 340 des Kolbens 3 in der Halteposition 3d die Düse 8 verschlossen und die Kolbennadel 32 ist derart in den Schmelzeraum 81 eingetaucht, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase 12 aus dem oberen Bereich des Schmelzeraums 81 durch die Öffnungen 71 des Nierenstücks 7 aus der Schmelzezone D zurück in die Mischzone C verdrängt wird, wodurch sich der Teil der flüssigen Phase 12 mit der plastischen Phase 11 aus der Plastifizierungszone B in der Mischzone C vermischt.
Durch den Haltevorgang 340 wird Restluft verdrängt und Schmelze 12 wird in der Mischzone C homogenisiert. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ein besserer Energiefluss erreicht und ein homogeneres Material 12 erzeugt. Die zurückfließende Schmelze 12 wird plastisch und die Granulatanteile 11, welche in das Nierenstück 7 geschoben werden, werden schmelzeförmig. Dadurch entsteht ein Vermischen des Materials 11, 12.
Der hier beschriebene Haltevorgang 340 dient zudem zur Analyse und zu einem Systemcheck des Druckkopfes 100, da sich folgende Effekte bei der Druckmessung des Drucks pi_ ergeben können. Ein Druckanstieg des Drucks pi_ in der Schmelze 12 würde bedeuten, dass die Schmelze 12 ausgast, weil beispielsweise die Temperatur TL der Schmelze 12 zu hoch ist. Zu hohe Schmelzetemperaturen Ti_ sind nicht gewünscht, da Luftplasma entstehen kann, was zu einem chemischen Zerfall des Materials 12 führen würde.
Ein starker Druckabfall des Schmelzedrucks pi_ könnte beispielsweise bedeuten, dass das System des Druckkopfs 100 undicht ist oder noch zu viel Luft im System war. Dieser Effekt könnte auftreten, wenn beispielsweise zu viel kaltes Material 10 im Hohlraum 40 vorhanden war, weil das Temperaturmanagement des Druckkopfes 100 nicht optimal eingestellt war.

Claims

Ansprüche
1. Druckkopf (100) für einen 3D-Drucker, umfassend eine in einem Gehäuse (1) des Druckkopfes (100) angeordnete Aktorvorrichtung (110) zur Ansteuerung eines Kolbens (3), eine Zuführeinrichtung (2) für ein druckbares Material (10), ein am Gehäuse (1) und der Zuführeinrichtung (2) angeordneten Flansch (5) mit einer Kühlvorrichtung (50), ein Düsenkopf (6) mit Heizelementen (61, 63) zur Umwandlung des Materials (10) von einer festen Phase (10) über eine plastische Phase (11) in eine flüssige Phase (12) und eine Düse (8) zur Ausbringung der flüssigen Phase (12) des Materials (10) aus dem Düsenkopf (6), dadurch gekennzeichnet, dass an einem unteren Teilbereich (42) einer separaten Kolbenbuchse (4) ein Nierenstück (7) angeordnet ist, wobei das Nierenstück (7) eine zentrisch verlaufende Bohrung (70) zur Aufnahme einer Kolbennadel (32) des Kolbens (3) aufweist und das Nierenstück (7) konzentrisch angeordnete Öffnungen (71) aufweist, die eine fluidische Verbindung zwischen einen in der Kolbenbuchse (4) angeordnetem Hohlraum (40) und einen in einem unteren Teil (62) des Düsenkopfs (6) angeordnetem Schmelzeraum (81) bilden.
2. Druckkopf (100) nach Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Verdichtungsprozesses (230) zur Herstellung von flüssiger Phase (12) des Materials die Düse (8) verschlossen wird und die Kolbennadel (32) derart in den Schmelzeraum (81) eingetaucht ist, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase (12) aus einem oberen Bereich des Schmelzeraums (81) durch die Öffnungen (71) des Nierenstücks (7) zurück in den Hohlraum (40) der Kolbenbuchse (4) verdrängt wird, wodurch sich der verdrängte Teil der flüssigen Phase (12) mit der plastischen Phase (11) im Hohlraum (40) vermischt.
3. Druckkopf (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf (100), ausgehend von einem oberen Teilbereich (41) der Kolbenbuchse (4) über das Nierenstück (7) bis zur Düse (8) Zustandszonen (A, B, C, D, E) aufweist, wobei die Zustandszonen (A,
B, C, D, E) einen Aggregatzustand des Materials (10) in Abhängigkeit seiner Temperatur Ts darstellen, wobei der Aggregatzustand des Materials (10) über die Zustandszonen (A, B, C, D, E) hinweg von einer festen Phase (10) über eine plastische Phase (11) in eine flüssige Phase (12) veränderbar ist.
4. Druckkopf (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandszonen (A, B, C, D, E) des Druckkopfs (100) eine Kalte Zone (A) mit Material in fester Phase (10), eine Plastifizierungszone (B) mit Material in plastischer Phase (11), eine Schmelzezone (D) und eine Prozesszone (E) mit Material in flüssiger Phase (12) und eine Mischzone (C) mit Material in plastischer (11) und flüssiger (12) Phase umfassen.
5. Druckkopf (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (6) zwei Heizzonen (65, 66) umfasst.
6. Druckkopf (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Heizzone (65) ein Teilbereich der Plastifizierungszone (B), die Mischzone (C) und ein Teilbereich der Schmelzezone (D) angeordnet sind, wobei ein erstes Heizelement (61) im oberen Düsenkopf (60) derart angeordnet ist, dass die Heizenergie vom ersten Heizelement (61) über den unteren Teilbereich der Kolbenbuchse (42), das Nierenstück (7) und einem Teilabschnitt (64) des oberen Düsenkopfs in das Material (10, 11, 12) einbringbar ist.
7. Druckkopf (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizenergie vom ersten Heizelement (61) über das Nierenstück (7) in die Kolbennadel (32) innerhalb der Bohrung (70) einbringbar ist.
8. Druckkopf (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Heizzone (66) ein Teilbereich der Schmelzezone (D) und die Prozesszone (E) angeordnet sind, wobei ein zweites Heizelement (63) im unteren Düsenkopf (62) derart angeordnet ist, dass die Heizenergie vom zweiten Heizelement (63) über den unteren Düsenkopf (62) in die flüssige Phase (12) des Materials einbringbar ist.
9. Verfahren (200) zum Betreiben eines Druckkopfes (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (200) folgende Schritte umfasst:
- Befüllen (210) des Hohlraums (40) mit druckbarem Material (10) durch die Zuführeinrichtung (2),
- Verschließen (220) eines Öffnungsquerschnitts (21) der Kolbenbuchse (4) durch Vorschub des Kolbens (3) ausgehend von einer Startposition (3a) in Richtung der Düse (8),
- Verdichten (230) des Materials (10),
- Umwandeln (240) des Materials von einer festen Phase (10) in eine flüssige Phase (12),
- Ausbringung (250) der flüssigen Phase (12) des Materials aus der Düse (8) zum Drucken eines dreidimensionalen Bauteils (9) bis eine Endposition (3z) des Kolbens (3) erreicht wird oder bis zur Fertigstellung des Bauteils (9),
- Zurückfahren (260) des Kolbens (3) in die Startposition (3a) und
- Wiederholung (270) der Schritte (210) bis (260) bis zur Beendigung des Verfahrens (200).
10. Verfahren (200) zum Betreiben eines Druckkopfes (100) Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungsprozesses (230) folgende Schritte umfasst:
- Vorverdichten (310) des Materials (10, 11, 12) durch Vorschub des Kolbens (3),
- Verschließen (320) der Düse (8),
- Verdichten (330) des Materials (10, 11, 12) durch Vorschub des Kolbens (3) und
- Halten (340) des Kolbens (3) in einer Halteposition (3d).
11. Verfahren (200) zum Betreiben eines Druckkopfes (100) Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verdichtens (330) die Düse (8) verschlossen ist und die Kolbennadel (32) derart in den Schmelzeraum (81) eintaucht, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase (12) aus dem oberen Bereich des Schmelzeraums (81) durch die Öffnungen (71) des Nierenstücks (7) aus der Schmelzezone (D) zurück in die Mischzone (C) verdrängt wird, wodurch sich der Teil der flüssigen Phase (12) mit der plastischen Phase (11) aus der Plastifizierungszone (B) in der Mischzone (C) vermischt.
12. Verfahren (200) zum Betreiben eines Druckkopfes (100) Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass während des Haltens (340) des Kolbens (3) in der Halteposition (3d) die Düse (8) verschlossen ist und die Kolbennadel (32) derart in den Schmelzeraum (81) eingetaucht ist, dass dadurch ein Teil der flüssigen Phase (12) aus dem oberen Bereich des Schmelzeraums (81) durch die Öffnungen (71) des Nierenstücks (7) aus der Schmelzezone (D) zurück in die
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