EP4626681A1 - 3d-drucker mit einem druckkopf - Google Patents

3d-drucker mit einem druckkopf

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Publication number
EP4626681A1
EP4626681A1 EP23812902.7A EP23812902A EP4626681A1 EP 4626681 A1 EP4626681 A1 EP 4626681A1 EP 23812902 A EP23812902 A EP 23812902A EP 4626681 A1 EP4626681 A1 EP 4626681A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
print head
printer
pressure
closure
Prior art date
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Pending
Application number
EP23812902.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Armin LODERER
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 EP4626681A1 publication Critical patent/EP4626681A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/209—Heads; Nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C64/232—Driving means for motion along the axis orthogonal to the plane of a layer
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • 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 3D printer with a print head.
  • a 3D printer for a material with a variable viscosity 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 places that belong to the object to be created.
  • Such a 3D printer comprises 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 print head has a first operating state in which liquid material emerges from it and a second operating state in which no liquid material emerges from it.
  • the second operating state is used, for example, when a different position on the work surface is to be approached and no material is to be dispensed on the way there.
  • the print head can be switched between the two operating states by switching the advance of the solid source material on or off.
  • the most common is “fused deposition modeling” (FDM), in which a filament made from the starting material is melted in an electrically heated extruder nozzle and applied layer by layer to a platform. In the form of such a filament, the starting material is very expensive.
  • FDM fused deposition modeling
  • a print head for a 3D printer is known from WO 22195031 A1, in which granules are plasticized via a piston and a heated section. When the piston presses on the granules, they are compressed, closing the nozzle of the print head.
  • the nozzle can be closed, for example, by a shut-off valve or by positioning the print head on a plate in the printer's construction space. It is also proposed that an area of a component that has already been printed can be approached in order to close the nozzle.
  • the invention is based on the object of providing a 3D printer with a print head that closes a nozzle during a compaction process of the melt without wear and thus the print head can provide high-quality melt in reproducible quality.
  • the invention relates to a 3D printer with a print head, comprising an actuator device arranged in a housing of the print head for controlling a piston of the print head, a nozzle head with one or more Heating elements for converting a printable material from a solid phase via a plastic phase into a liquid phase and a nozzle for ejecting the liquid phase of the material from the nozzle head, wherein the nozzle can be closed at least partially by a closure device during a compression process of the material.
  • the closure device has an elastically yielding closure means for closing the nozzle, in particular a nozzle opening.
  • the elastically yielding closure means of the closure device of the 3D printer gives way when the nozzle, in particular the nozzle opening, is closed, thereby advantageously ensuring wear-free closure for pressure build-up or compression of the liquid phase of the printable material.
  • the wear-free closure increases the service life of the nozzle and the desired print quality can be guaranteed over a longer period of time.
  • the invention ensures that neither the closure device nor the print head has to be controlled horizontally to close the nozzle, which means that material for horizontal positioning and corresponding manufacturing costs can be saved.
  • 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 is lighter than a hydraulic drive and therefore advantageously ensures high dynamics of the entire printer and the printing process, since less mass has to be accelerated.
  • the 3D print head according to the invention is particularly suitable for a method comprising processes that are part of a process sequence from filling to opening a nozzle of the print head during print preparation.
  • This The print preparation process is also called the refill process because it is a recurring process that is repeated as often as required during the printing of a component.
  • the refill process is the method for providing printable melt to operate the print head for a 3D printer.
  • the refill process is advantageous because it ensures that the melt is homogenized.
  • the pre-compaction of the material is carried out by advancing the piston in a pressure- and/or force-controlled manner, whereby pre-compaction is carried out up to a position which is reached when a material-dependent gradient and/or a material-dependent gradient angle of a force and/or pressure curve is reached and/or exceeded.
  • Pre-compression is carried out by force or pressure-controlled actuation of the piston by the actuator device, with the target position of the piston bottom being in the first third of a plasticizing zone, starting from a cold zone.
  • a granulate is compressed in the plasticizing zone by the advance of the piston, while at the same time there is melt in a melt zone between a cavity and the nozzle. The plasticized granulate is thereby pressed into the melt in a mixing zone.
  • melt By lowering the piston towards the nozzle, melt begins to emerge from the nozzle, which displaces any air or air inclusions that may still be present in the nozzle head. This frees up the nozzle.
  • the nozzle of the print head is closed by means of the closing device with the elastically yielding closing means.
  • the elastic material of the respective printing medium gives way when the print head approaches the closure device, forms itself to the nozzle, in particular the nozzle opening, and closes it.
  • the wear on the nozzle is thus advantageously reduced.
  • the spring gives way in a horizontal direction.
  • the pressure medium closes the nozzle, in particular the nozzle opening. This advantageously reduces wear on the nozzle.
  • the closing device is arranged outside a printing area of the print head. This means that the nozzle is closed outside the printing area, meaning that no attachment to the print head is required to close the nozzle.
  • the slim design of the print head made possible by this advantageously avoids collisions between the print head and the component, and the dynamics of the print head are not restricted by additional weight.
  • the 3D printing head according to the invention enables the refill or refill process to be carried out more quickly and thus ensures lower temperature differences on the component itself during the production of a component. Furthermore, a better quality of the melt is achieved and thus a better component quality.
  • the piston is held in the holding position, whereby a pressure and a temperature of the liquid phase are measured during the holding process and the measured values are checked by an evaluation unit to control the function of the compression process.
  • the peak print position is then held for a predefined period of time depending on the material, therefore the peak print position is also the holding position of the print head.
  • the holding process described here is also used for analysis and to check the print head system, as the following effects can occur when measuring the pressure.
  • An increase in the pressure in the melt would mean that the melt is outgassing because, for example, the temperature of the melt is too high. Melt temperatures that are too high are not desirable because air plasma can form, which would lead to chemical decomposition.
  • a sharp drop in the 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 optimally set.
  • the 3D printer has a closure device 90 with an elastically yielding closure means 91 for closing the nozzle 8, in particular a nozzle opening 180.
  • the closure device 90 with the closure means 91 is arranged on a device 151 outside a printing area of the print head 100.
  • the device 151 is fixedly arranged in a construction space or in a construction chamber of the 3D printer 150. Furthermore, a coordinate system 152 with x, y and z axes is shown.
  • the print head 100 is movable in the x and y directions and a construction plate (not shown) or a substrate carrier on which the component to be printed is printed is movable in the z direction.
  • the print head 100 shown here comprises, by way of example, an area 4 for guiding the piston 3 in the print head 100.
  • Fig. 1 shows the piston 3 in a starting position for filling the print head 100 with printable material 10, which is fed into the print head 100 via the feed device 2.
  • the feed device 2 is funnel-shaped, wherein the material 10, which is preferably a granulate, is filled from above into an opening of the feed device 2.
  • the nozzle 8 is closed, in particular during compression, as shown in Fig. 2 and Fig. 3, and when the piston 3 is controlled by the actuator device 110, the material 10, 11, 12 arranged in the cavity 40 and melt chamber 81 is compressed by the piston advance.
  • the print head 100 moves in the x and y directions and builds up the component (not shown) layer by layer.
  • the piston 3 is retracted and granulate is refilled into the cavity 40.
  • the print head 100 is positioned on the closure device 90.
  • the print head 100 or the extruder is moved outside the build plate or the substrate carrier during the refill process and positioned on or above the closing device 90.
  • Fig. 2 shows a first embodiment with a closure device 90, arranged on a device 151 of the 3D printer 150, wherein the closure means 91 comprises a pressure means 92, wherein the pressure means 92 is formed from an elastic material.
  • the pressure medium 91 is shown in the form of a ball and is elastically molded to the nozzle 8 or the nozzle opening 180, whereby it is closed.
  • Fig. 3 shows a second embodiment with a closure device 90, arranged on a device 151 of the 3D printer 150, wherein the closure means 91 comprises a pressure means 92 and a spring 93.
  • the spring 93 is arranged in a housing 94 of the closure device 90.
  • Above the spring 93 sits the pressure means 92 in the form of a ball and closes the nozzle 8, or the nozzle opening 180.
  • the pressure means 92 can have a surface with a negative shape of the nozzle 8, in particular the nozzle opening 180, in order to close it.
  • the spring 93 of the closure means 91 has a spring force which is greater than a maximum pressure occurring during the compaction process of the material 10, 11, 12.
  • the print head 100 moves with the nozzle 8 over the spring-loaded pressure medium 92.
  • the nozzle 8 presses the pressure medium 92, or the ball, via the spring 93 into the housing 94 of the closure device 90, whereby the pressure medium 92 is aligned as concentrically as possible to the nozzle and closes it.
  • the spring force or closing force is greater than or equal to a target pressure or peak pressure of the system during the refill process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen 3D-Drucker (150) mit einem Druckkopf (100), umfassend eine in einem Gehäuse (1) des Druckkopfes (100) angeordnete Aktorvorrichtung (110) zur Ansteuerung eines Kolbens (3) des Druckkopfes (100), einen Düsenkopf (6) mit ein oder mehreren Heizelementen (61, 63) zur Umwandlung eines druckfähigen 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), wobei die Düse (8) zumindest teilweise während eines Verdichtungsvorganges des Materials (10, 11, 12) durch eine Verschlussvorrichtung (90) verschließbar ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussvorrichtung (90) ein elastisch nachgebendes Verschlussmittel (91) zum Verschließen der Düse (8), insbesondere einer Düsenöffnung (180) aufweist.

Description

Beschreibung
Titel:
3D-Drucker mit einem Druckkopf
Die vorliegende Erfindung betrifft einen 3D-Drucker mit einem Druckkopf.
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.
Aus der WO 22195031 A1 ist ein Druckkopf für einen 3D-Drucker 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, wobei dabei die Düse des Druckkopfes verschlossen wird. Die Düse kann beispielsweise durch ein Verschlussventil verschlossen werden, oder durch das Positionieren des Druckkopfes auf eine Platte im Bauraum des Druckers. Ferner wird auch vorgeschlagen, dass ein bereits gedruckter Bereich eines Bauteils angefahren werden kann, um die Düse zu verschließen.
Nachteilig an diesen Lösungen ist, dass bei einem Verschlussventil am Druckkopf der Bauraumbedarf um die Düse herum größer wird, was ggf. zu Kollisionen des Druckkopfes mit dem Bauteil führen kann. Ferner erhöht sich das Gewicht des Druckkopfes, wodurch die Dynamik beim Drucken eingeschränkt wird. Das Positionieren des Druckkopfes auf einer Bauplatte kann zum einen zu Verschleiß an der Düse führen, was die Druckqualität mindert und zum anderen muss der Druckkopf zum Verschließen der Düse entweder die Bauplatte horizontal anfahren oder von dieser angefahren werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen 3D-Drucker mit einem Druckkopf bereitzustellen, der eine Düse während eines Verdichtungsvorgangs der Schmelze verschleißfrei verschließt und dadurch der Druckkopf hochwertige Schmelze in reproduzierbare Qualität bereitstellen kann.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein 3D-Drucker mit einem Druckkopf entwickelt.
Die Erfindung betrifft einen 3D-Drucker mit einem Druckkopf, umfassend eine in einem Gehäuse des Druckkopfes angeordnete Aktorvorrichtung zur Ansteuerung eines Kolbens des Druckkopfes, einen Düsenkopf mit ein oder mehreren Heizelementen zur Umwandlung eines druckfähigen 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, wobei die Düse zumindest teilweise während eines Verdichtungsvorganges des Materials durch eine Verschlussvorrichtung verschließbar ist.
Erfindungsgemäß weist die Verschlussvorrichtung ein elastisch nachgebendes Verschlussmittel zum Verschließen der Düse, insbesondere einer Düsenöffnung auf.
Das elastisch nachgebende Verschlussmittel der Verschlussvorrichtung des 3D- Druckers gibt beim Verschließen der Düse, insbesondere der Düsenöffnung nach und sorgt dadurch in vorteilhafter Weise für ein verschleißfreies Verschließen zum Druckaufbau, bzw. Verdichten der flüssigen Phase des druckfähigen Materials. Dadurch wird ein besserer Verschluss der Düse, insbesondere der Düsenöffnung erreicht, wodurch in vorteilhafter Weise eine schnellere Erreichung des Zieldruckes im System gelingt. Ferner erhöht sich durch das verschleißfreie Verschließen die Standzeit der Düse und die gewünschte Druckqualität kann über einen längeren Zeitraum gewährleistet werden. Ferner wird durch die Erfindung erreicht, dass zum Verschließen der Düse weder die Verschlussvorrichtung noch der Druckkopf horizontal angesteuert werden muss, wodurch Material zur horizontalen Positionierung und entsprechend Kosten zur Herstellung eingespart werden können.
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.
Der erfindungsgemäße 3D-Druckkopf ist besonders geeignet für ein Verfahren, umfassend Prozesse, die Teil eines Prozessablaufs vom Befüllen bis zum Öffnen einer Düse des Druckkopfes während der Druckvorbereitung sind. Dieser druckvorbereitende Prozess wird auch Refillprozess genannt, da es sich um einen wiederkehrenden Ablauf handelt, der während des Druckens eines Bauteils beliebig wiederholt wird. Der Refillprozess ist das Verfahren zum Bereitstellen druckfähiger Schmelze zum Betreiben des Druckkopfes für einen 3D-Drucker. Der Refillprozess ist vorteilhaft, da er für eine Homogenisierung der Schmelze sorgt.
Das Verdichten des Materials umfasst während des Verdichtungsprozesses beispielsweise folgende Schritte:
- Vorverdichten des Materials durch Vorschub des Kolbens,
- Verschließen der Düse des Druckkopfes durch die Verschlussvorrichtung mit dem elastisch nachgebenden Verschlussmittel,
- Verdichten des Materials durch Vorschub des Kolbens und
- Halten des Kolbens in einer Halteposition.
Während des Verdichtungsprozesses wird das Vorverdichten des Materials durch Vorschub des Kolbens druck- und/oder kraftgesteuert durchgeführt, wobei bis zu einer Position vorverdichtet wird, die erreicht ist, wenn eine materialabhängige Steigung und/oder ein materialabhängiger Steigungswinkel einer Kraft- und/oder Druckkurve erreicht und/oder überschritten wird.
Das Vorverdichten wird durch kraft-, bzw. druckgesteuertes Ansteuern des Kolbens durch die Aktorvorrichtung ausgeführt, wobei sich die Zielposition des Kolbenbodens im ersten Drittel einer Plastifizierungszone, ausgehend von einer kalten Zone, befindet. Ein Granulat wird in der Plastifizierungszone durch den Vorschub des Kolbens komprimiert, wobei sich gleichzeitig in einer Schmelzezone zwischen einem Hohlraum und der Düse Schmelze befindet. Das plastifizierte Granulat wird dadurch in einer Mischzone in die Schmelze hineingedrückt.
Durch das Absenken des Kolbens in Richtung Düse tritt bereits Schmelze aus der Düse aus, wodurch 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 mittels der Verschlussvorrichtung mit dem elastisch nachgebenden Verschlussmittel verschlossen.
In einer ersten Ausführung der Erfindung umfasst das Verschlussmittel ein Druckmittel, wobei das Druckmittel aus einem elastischen Material gebildet ist Dies ist in einer Ausführung eine elastische Kugel. In einer weiteren Ausführung weist das elastische Druckmittel eine Oberfläche mit einer Negativform der Düse auf, insbesondere in Form der Düsenöffnung.
Das elastische Material des jeweiligen Druckmittels gibt beim Anfahren des Druckkopfes auf die Verschlussvorrichtung nach, formt sich an die Düse, insbesondere die Düsenöffnung an und verschließt diese. Der Verschleiß an der Düse wird somit in vorteilhafter Weise reduziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verschlussmittel ein Druckmittel und eine Feder. Das Druckmittel dieser Ausführungsform ist in einer Ausführung eine Kugel. In einer weiteren Ausführung weist das Druckmittel eine Oberfläche mit einer Negativform der Düse auf, insbesondere in Form der Düsenöffnung.
In einer Weiterbildung weist die Feder des Verschlussmittels eine Federkraft auf, die größer als ein maximal auftretender Druck während des Verdichtungsvorganges des Materials ist.
Die Feder gibt beim Anfahren des Druckkopfes auf die Verschlussvorrichtung, insbesondere auf das Druckmittel in horizontale Richtung nach. Dabei verschließt das Druckmittel die Düse, insbesondere die Düsenöffnung. Der Verschleiß an der Düse wird somit in vorteilhafter Weise reduziert.
In einer Weiterbildung ist die Verschlussvorrichtung außerhalb eines Druckbereichs des Druckkopfes angeordnet. Dadurch wird das Verschließen der Düse außerhalb des Druckbereichs durchgeführt, wodurch kein Anbau an den Druckkopf zum Verschließen der Düse vorgesehen werden muss. Der dadurch möglich gewordene schlanke Aufbau des Druckkopfes, vermeidet in vorteilhafter Weise Kollisionen des Druckkopfes mit dem Bauteil und der Druckkopf wird nicht in seiner Dynamik durch zusätzliches Gewicht eingeschränkt. Der Erfindungsgemäße 3D-Druckkopf ermöglicht eine schnellere Durchführung des Refills, bzw. Refillprozesses und sorgt dadurch während der Herstellung eines Bauteils für geringere Temperaturdifferenzen am Bauteil selbst. Ferner wird eine bessere Qualität der Schmelze erreicht und dadurch eine bessere Bauteilqualität.
In einem nächsten Verfahrensschritt wird das Verdichten des Materials durch Vorschub des Kolbens bei verschlossener Düse druckgesteuert durchgeführt und dabei eine Halteposition angefahren, bis ein sogenannter Peakdruck erreicht wird.
Der Kolben wird in der Halteposition gehalten, wobei während des Haltevorgangs ein Druck und eine Temperatur der flüssigen Phase gemessen werden und die Messwerte durch eine Auswerteeinheit zur Funktionskontrolle des Verdichtungsprozesses überprüft werden.
Ferner ist die Düse während des Haltens des Kolbens in der Halteposition weiterhin mittels der Verschlussvorrichtung mit dem elastisch nachgebenden Verschlussmittel verschlossen.
Zum Verdichten des Materials wird der Kolben durch die Aktorvorrichtung druckgesteuert vorgeschoben, bis der definierte Peakdruck und damit eine sogenannte Peakdruckposition erreicht wird. Dabei ist die Düse weiterhin mittels der Verschlussvorrichtung mit dem elastisch nachgebenden Verschlussmittel verschlossen.
Anschließend wird die Peakdruckposition für einen materialabhängigen vordefinierten Zeitraum gehalten, daher ist die Peakdruckposition auch die Halteposition des Druckkopfes.
Während des Haltens des Kolbens in der Halteposition ist die Düse mittels der Verschlussvorrichtung mit dem elastisch nachgebenden Verschlussmittel verschlossen. Durch den Haltevorgang wird Restluft verdrängt und Schmelze wird in einer Mischzone homogenisiert. Dadurch wird ein besserer Energiefluss erreicht und ein homogeneres Material erzeugt.
Der hier beschriebene Haltevorgang dient zudem 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.
Ferner kann die Druckvorbereitung der flüssigen Phase folgende Schritte umfassen:
- aktives Dekomprimieren der flüssigen Phase durch Zurückziehen des Kolbens in Abhängigkeit einer vorher ermittelten Federkonstante und
- Öffnen der Düse durch Verfahren des Druckkopfes weg von der Verschlussvorrichtung.
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 erfindungsgemäßen 3D-Drucker mit einem Druckkopf;
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine durch eine Verschlussvorrichtung verschlossene Düse und Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine durch eine Verschlussvorrichtung verschlossene Düse.
Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt einen 3D-Drucker 150 mit einem Druckkopf 100, umfassend eine in einem Gehäuse 1 des Druckkopfes 100 angeordnete Aktorvorrichtung 110 zur Ansteuerung eines Kolbens 3 des Druckkopfes 100, einen Düsenkopf 6 mit ein oder mehreren Heizelementen 61 , 63 zur Umwandlung eines druckfähigen 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, wobei die Düse 8 zumindest teilweise während eines Verdichtungsvorganges des Materials 10, 11 , 12 durch eine Verschlussvorrichtung 90 verschließbar ist (siehe hierzu auch Fig. 2). Fig. 1 zeigt den geöffneten Zustand und Fig. 2 den verschlossenen Zustand der Düse 8.
Erfindungsgemäß weist der 3D-Drucker eine Verschlussvorrichtung 90 mit einem elastisch nachgebenden Verschlussmittel 91 zum Verschließen der Düse 8, insbesondere einer Düsenöffnung 180 auf.
Die Verschlussvorrichtung 90 mit dem Verschlussmittel 91 ist auf einer Vorrichtung 151 außerhalb eines Druckbereichs des Druckkopfes 100 angeordnet. Die Vorrichtung 151 ist fest in einem Bauraum, bzw. in einer Baukammer des 3D-Druckers 150 angeordnet. Ferner ist ein Koordinatensystem 152 mit x-, y- und z-Achsen gezeigt. Der Druckkopf 100 ist in x- und y-Richtung bewegbar und eine nicht dargestellte Bauplatte, bzw. ein Substratträger, auf der, bzw. dem das zu druckenden Bauteil gedruckt wird, ist in z-Richtung bewegbar.
Der hier dargestellte Druckkopf 100 umfasst beispielhaft einen Bereich 4 zur Führung des Kolbens 3 im Druckkopf 100.
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.
Während eines Befüllvorganges des Druckkopfes 100 wird die Düse 8, insbesondere beim Verdichten, wie in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt, 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.
Die Heizelemente 61 , 63 im Düsenkopf 6 erhitzen das Material 10, 11 , 12 innerhalb des Hohlraums 40 und eines Schmelzeraums 81 , bis die flüssige Phase 12 des Materials ihre Prozesstemperatur erreicht hat und aus der Düse 8 ausgetragen werden kann.
Während des Druckprozesses und des Austragens der flüssigen Phase 12 des Materials, bzw. der Schmelze, bewegt sich der Druckkopf 100 in x- und y- Richtung und baut schichtweise das nicht dargestellte Bauteil auf. Wenn die Schmelze aufgebraucht ist oder wenn es der Druckprozess erforderlich macht, wird der Kolben 3 zurückgezogen und es wird Granulat in den Hohlraum 40 nachgefüllt. Für den Refillprozess wird der Druckkopf 100 auf die Verschlussvorrichtung 90 positioniert.
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen Ausführungsbeispiele mit einer verschlossenen Düse 8, wobei diese auf, bzw. über der Verschlussvorrichtung 90 positioniert ist.
Zum Verschließen der Düse 8 wird während des Refillprozesses der Druckkopf 100, bzw. der Extruder außerhalb der Bauplatte, bzw. des Substratträgers gefahren und auf, bzw. über der Verschlussvorrichtung 90 positioniert.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer Verschlussvorrichtung 90, angeordnet auf einer Vorrichtung 151 des 3D-Druckers 150, wobei das Verschlussmittel 91 ein Druckmittel 92 umfasst, wobei das Druckmittel 92 aus einem elastischen Material gebildet ist. Das Druckmittel 91 ist in dieser Ausführung in Form einer Kugel dargestellt und hat sich elastisch an die Düse 8, bzw. der Düsenöffnung 180 angeformt, wodurch diese verschlossen ist.
Als eine alternative Ausführungsform, kann das Druckmittel 92 eine Oberfläche mit einer Negativform der Düse 8, insbesondere der Düsenöffnung 180 aufweisen, um diese zu verschließen.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer Verschlussvorrichtung 90, angeordnet auf einer Vorrichtung 151 des 3D-Druckers 150, wobei das Verschlussmittel 91 ein Druckmittel 92 und eine Feder 93 umfasst. Die Feder 93 ist in einem Gehäuse 94 der Verschlussvorrichtung 90 angeordnet. Oberhalb der Feder 93 sitzt das Druckmittel 92 in Form einer Kugel und verschließt die Düse 8, bzw. die Düsenöffnung 180. Als eine alternative Ausführungsform, kann das Druckmittel 92 eine Oberfläche mit einer Negativform der Düse 8, insbesondere der Düsenöffnung 180 aufweisen, um diese zu verschließen.
Die Feder 93 des Verschlussmittels 91 weist eine Federkraft auf, die größer als ein maximal auftretender Druck während des Verdichtungsvorganges des Materials 10, 11 , 12 ist.
Zum Verschließen der Düse 8 fährt der Druckkopf 100 mit der Düse 8 über das federnde Druckmittel 92. Dabei drückt die Düse 8 das Druckmittel 92, bzw. die Kugel über die Feder 93 in das Gehäuse 94 der Verschlussvorrichtung 90, wodurch sich das Druckmittel 92 möglichst konzentrisch zur Düse ausrichtet und diese verschließt.
Die Federkraft, bzw. Verschlusskraft ist größer oder gleich einem Zieldruck, bzw. Peakdruck des System beim Refillprozess.

Claims

Ansprüche
1 . 3D-Drucker (150) mit einem Druckkopf (100), umfassend eine in einem Gehäuse (1) des Druckkopfes (100) angeordnete Aktorvorrichtung (110) zur Ansteuerung eines Kolbens (3) des Druckkopfes (100), einen Düsenkopf (6) mit ein oder mehreren Heizelementen (61 , 63) zur Umwandlung eines druckfähigen 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), wobei die Düse (8) zumindest teilweise während eines Verdichtungsvorganges des Materials (10, 11 , 12) durch eine Verschlussvorrichtung (90) verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussvorrichtung (90) ein elastisch nachgebendes Verschlussmittel (91) zum Verschließen der Düse (8), insbesondere einer Düsenöffnung (180) aufweist.
2. 3D-Drucker (150) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussmittel (91) ein Druckmittel (92) umfasst, wobei das Druckmittel (92) aus einem elastischen Material gebildet ist.
3. 3D-Drucker (150) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussmittel (91) ein Druckmittel (92) und eine Feder (93) umfasst.
4. 3D-Drucker (150) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (93) des Verschlussmittels (91) eine Federkraft aufweist, die größer als ein maximal auftretender Druck während des Verdichtungsvorganges des Materials (10, 11 , 12) ist.
5. 3D-Drucker (150) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmittel (92) eine Kugel ist.
6. 3D-Drucker (150) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmittel (92) eine Oberfläche mit einer Negativform der Düse (8), insbesondere der Düsenöffnung (180) aufweist.
7. 3D-Drucker (150) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussvorrichtung (90) außerhalb eines Druckbereichs des Druckkopfes (100) angeordnet ist.
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