EP4638096A1 - Druckkopf für einen 3d-drucker - Google Patents

Druckkopf für einen 3d-drucker

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Publication number
EP4638096A1
EP4638096A1 EP23813620.4A EP23813620A EP4638096A1 EP 4638096 A1 EP4638096 A1 EP 4638096A1 EP 23813620 A EP23813620 A EP 23813620A EP 4638096 A1 EP4638096 A1 EP 4638096A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
print head
recess
feed
section
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
EP23813620.4A
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 EP4638096A1 publication Critical patent/EP4638096A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/209—Heads; Nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • 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]
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a print head for a 3D printer.
  • 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 exits it and a second operating state in which no liquid material exits 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 deposited on the way there.
  • the print head can be switched between the two operating states, for example, by switching the advance of the solid source material on or off. From DE 10 2016 222 306 A1 it is known to plasticize granules using a piston and a heated section. When the piston presses on the granules, they are compacted and conveyed to a plasticizing zone.
  • the invention is based on the object of providing a print head that can withstand the forces that occur and enables a stable printing process.
  • a print head for a 3D printer comprises an intake zone with a feed for a starting material with a variable viscosity, a plasticizing zone with a heater and an outlet opening for the liquid phase of the starting material, and a conveying device for conveying the granulate from the intake zone into the plasticizing zone, wherein the conveying device comprises a piston that can be inserted into the intake zone.
  • the piston has a first piston section facing the plasticizing zone with a guide surface through which the piston is guided in a recess of the print head.
  • the feed for a starting material in the form of granulate can be provided.
  • the starting material can in particular be a thermoplastic material.
  • the piston is secured against radial rotation within the recess of the print head.
  • the piston is secured against radial rotation by a positive connection of the first piston section with the recess of the print head.
  • Such an arrangement of the piston in the recess of the print head advantageously prevents jamming and tilting of the piston in the recess of the print head, which enables a virtually wear-free operation of the print head.
  • the invention ensures that the piston is always optimally guided in the recess of the print head and that it When it hits the granulate, the material does not deflect, tilt or twist. This enables continuous and long-lasting operation of the print head.
  • the positive connection of the first piston section with the recess of the print head ensures that no rotation is transmitted to the first piston section in the case of electrically driven actuators, in particular electric motors, which generate a linear movement of the piston through a rotational movement. This advantageously prevents the piston or the first piston section from twisting in the recess of the print head.
  • the positive connection can be achieved by symmetrical or asymmetrical shapes of the cross-sectional area of the first piston section.
  • the first piston portion and the recess of the print head have a polygonal, in particular hexagonal, cross-sectional area.
  • the polygonal, in particular hexagonal cross-sectional area forms an effective structural measure against tilting of the first piston section in the recess, since the piston is advantageously guided securely by several guide levels. This advantageously minimizes wear and extends the service life of the print head.
  • the first piston section and the recess of the print head have a part-circular, in particular semicircular, cross-sectional area.
  • the first piston section and the recess of the print head have a circular segment-shaped cross-sectional area.
  • the partially circular, in particular semi-circular cross-sectional area or the circular segment-shaped cross-sectional area each form an effective structural measure against tilting of the first piston section in the recess, since it advantageously ensures secure guidance of the piston at least one guide level. This can advantageously minimize wear and extend the service life of the print head.
  • the axial extension of the guide surface of the piston is between 1.5 and 1.7 times the maximum axial extension of an opening surface of the feed to the recess.
  • the size of the opening area of the feed to the recess is relevant for the amount of granulate fed from the feed into the recess of the print head or into the feed zone of the print head.
  • the projection of the guide surface of the piston to the opening surface of the feed advantageously ensures stable guidance of the piston in the recess.
  • the first piston section has a cutting edge for shearing off the starting material at the opening surface of the feed.
  • the cutting edge cuts through granules, in particular granulate grains, which lie within the opening surface of the feed. In this way, it is advantageously ensured that the first piston section is not blocked by the granules, but cuts through them. Possible jamming of the first piston section is thus avoided.
  • the cutting edge can be made of hardened material or a separate cutting edge, in particular a hard metal cutting edge.
  • Fig. 1 shows a print head according to the invention
  • Fig. 2 the print head in a sectional drawing
  • Fig. 3 shows a first embodiment of the print head in a sectional drawing
  • Fig. 4 a second embodiment of the print head in a sectional drawing
  • Fig. 5 shows another embodiment of the print head in a sectional drawing.
  • Fig. 1 shows a print head 10 according to the invention.
  • the print head 10 for a 3D printer 1 comprises an intake zone 11 with a feed 12 for a starting material 20, 21 with a variable viscosity, a plasticizing zone 14 with a heater 15 and an outlet opening 16 for the liquid phase 22 of the starting material 21 and a conveying device 30 for conveying the starting material 21 from the intake zone 11 into the plasticizing zone 14, wherein the conveying device 30 comprises a piston 31 that can be inserted into the intake zone 11.
  • the piston 31 has a first piston section 5 facing the plasticizing zone 14 with a guide surface 9 through which the piston 31 is guided in a recess 7 of the print head 10.
  • the piston 31 is secured against radial rotation within the recess 7 of the print head 10, in particular by a positive connection of the first piston section 5 with the recess 7 of the print head 10.
  • the print head 10 further comprises a housing 19 with the piston 31 guided therein.
  • the piston 31 consists of the first piston section 5 and a second piston section 6.
  • the first piston section 5 is guided in a sealing manner in relation to the starting material 20, 21 in the central recess 7 of the housing 19. It prevents the solid phase 21 of the starting material 20 from escaping and presses this solid phase 21 from the intake zone 11 into the compression zone 11a, where a boundary layer 11b to the liquid phase 22 of the starting material 20 is formed.
  • the second piston section 6 is located above the first piston section 5 and is moved in the vertical direction 38, for example via a spindle of a motor (not shown). Electric motors are preferably used.
  • a motor not shown. Electric motors are preferably used.
  • the piston 31 moves in the direction of the outlet opening 16 of the print head 10
  • the liquid phase 22 of the starting material 20 is ejected from the outlet opening 16.
  • Fig. 1 is a snapshot in the state in which exactly this is possible, i.e. the print head 10 is ready to print. In this state, the working volume 17 within the central recess 7 in the housing 19 of the print head 10 is comparatively small.
  • the solid phase 21 of the starting material 20 is fed via a funnel 12 and trickles into the feed zone 11 in the print head 10 as soon as the piston 31 is retracted behind this feed zone 11.
  • the starting material 20 is preferably a granulate. In order for this trickling to be possible, only the solid phase 21 of the starting material may be present in the feed zone 11. In particular, this solid phase 21 must not melt and stick together.
  • the feed zone 11 is therefore cooled from the outside via coolants 13.
  • the coolants 13 comprise active cooling 13a with a cooling medium and passive cooling 13b with cooling fins. This helps to ensure that the temperature TS in the feed zone remains below the temperature TP at which the solid phase 21 of the starting material 20 plasticizes.
  • an air injection nozzle (not shown) can be arranged on the feed 12, which is preferably arranged near an opening surface 8 of the feed 12 to the recess 7.
  • the air injection nozzle ensures that the granulate, which is not has completely trickled into the intake zone 11, either blown into the intake zone 11 or blown up the funnel 12 from the area of the opening surface 8 so that the piston 31 can easily close the opening surface 8.
  • the solid phase 21 of the starting material 20 is heated in the plasticizing zone 14 by means of the heater 15 and is thereby converted into the liquid phase 22, which can exit from the outlet opening 16 when pressure is applied.
  • Fig. 2 shows the print head 10 according to the invention in a sectional drawing of a vertical section through the print head 10.
  • the piston 31 has a first piston section 5 facing the plasticizing zone 14 with a guide surface 9 through which the piston 31 is guided in a recess 7 of the print head 10 or the housing 19.
  • the guide surface 9 is longer in its axial extent b than a maximum axial extent k of an opening area 8 of the feed 12 to the recess 7.
  • the opening area 8 of the feed 12 to the recess 7 is designed such that the supplied granulate 21 can be optimally fed into the recess or into the feed zone 11.
  • the axial extension b of the guide surface 9 of the piston 31 is preferably between 1.5 and 1.7 times, in particular 1.6 times, the maximum axial extension b of the opening surface 8.
  • the first piston section 5 has a distance di, d4.
  • the illustrated piston 31 with the correspondingly dimensioned guide surface 9 prevents the piston 31 from tilting in the recess 7 and reduces the penetration of the deformed granulate into the gap between the guide surface 9 and the recess 7.
  • the piston 31 further comprises the second piston portion 6, whose piston diameter d2 is smaller than a horizontal distance di of the first piston portion 5, which may be a horizontal distance di, a horizontal diagonal d4 or a horizontal diameter di of the first piston portion 5.
  • Fig. 3 shows a sectional drawing of a horizontal section of the piston 31 of a first embodiment, wherein the piston 31 is secured against radial rotation within the recess 7 of the print head 10.
  • the piston 31 is secured against radial rotation by a positive connection of the first piston section 5 to the recess 7 of the print head 10.
  • the first piston section 5 and the recess 7 of the print head 10 have a polygonal, in particular hexagonal, cross-sectional area.
  • the first piston section 5 forms a flat surface 3 on its side facing the opening surface 8 and a maximum horizontal diameter d of the opening surface 8 is smaller than a horizontal distance d4 of the first piston section 5.
  • the horizontal distance d4 is the distance of a diagonal between two opposite edges 18 of the polygonal base surface of the first piston section 5.
  • the second piston section 6 is shown, the piston diameter da of which is smaller than a horizontal distance di of the first piston section 5, wherein the horizontal distance di of the first piston section 5 is the distance between the parallel opposite surfaces 2 of the first piston section 5.
  • Fig. 4 shows a sectional drawing of a horizontal section of the piston 31 of a second embodiment, wherein the piston 31 is secured against radial rotation within the recess 7 of the print head 10.
  • the piston 31 is secured against radial rotation by a positive connection of the first piston section 5 to the recess 7 of the print head 10.
  • the first piston section 5 and the recess 7 of the print head 10 have a polygonal, in particular hexagonal, cross-sectional area.
  • the first piston section 5 has flat surfaces 2 that are parallel to one another. Furthermore, an edge 18 of the piston section 5 is aligned centrally with respect to the opening surface 8 and the maximum horizontal diameter da of the opening surface 8 is smaller than the horizontal distance di between the parallel flat surfaces 2 of the first piston section 5.
  • the first piston section 5 and the recess 7 of the print head 10 have a part-circular, in particular semicircular, cross-sectional area.
  • the first piston section 5 and the recess 7 of the print head 10 have a circular segment-shaped cross-sectional area.
  • a circular segment describes a partial area of a circular area that is bounded by a circular arc and a circular chord.
  • Fig. 5 shows a further embodiment of the print head 10 in a sectional drawing of a vertical section through the print head 10, wherein the first piston section 5 has a cutting edge 4 for shearing off the starting material 21 in granulate form at the opening surface 8 of the feed 12.
  • the cutting edge 4 is made of a hardened material and, in the form shown here, has a separate cutting tool, in particular a reversible plate.
  • the piston 31 has the first piston section 5 facing the plasticizing zone 14 with the guide surface 9, through which the piston 31 is guided in the recess 7 of the print head 10 or the housing 19.
  • the opening area 8 of the feed 12 to the recess 7 is designed such that the supplied granulate 21 can be optimally fed into the recess or into the feed zone 11.
  • the first piston section 5 has the distance di, d4.
  • the piston 31 further comprises the second piston section 6, whose piston diameter d2 is smaller than the distance di, d4 of the first
  • the print head 10 can be integrated into any 3D printer.

Landscapes

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Abstract

Einen Druckkopf (10) für einen 3D-Drucker (1), umfassend eine Einzugszone (11) mit einer Zuführung (12) für ein in seiner Viskosität veränderliches Ausgangsmaterial (21), eine Plastifizierungszone (14) mit einer Heizung (15) und einer Austrittsöffnung (16) für die flüssige Phase (22) des Ausgangsmaterials (21) sowie eine Fördervorrichtung (30) zur Förderung des Ausgangsmaterials (21) von der Einzugszone (11) in die Plastifizierungszone (14), wobei die Fördervorrichtung (30) einen in die Einzugszone (11) einführbaren Kolben (31) umfasst, wobei der Kolben (31) einen der Plastifizierungszone (14) zugewandten ersten Kolbenabschnitt (5) mit einer Führungsfläche (9) aufweist, durch die der Kolben (31) in einer Ausnehmung (7) des Druckkopfs (10) geführt ist, wobei der Kolben (31) innerhalb der Ausnehmung (7) des Druckkopfs (10) gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert ist.

Description

Beschreibung
Titel:
Druckkopf für einen 3D-Drucker
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker.
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 deponiert werden soll. Zwischen den beiden Betriebszuständen des Druckkopfes kann beispielsweise umgeschaltet werden, indem der Vortrieb des festen Ausgangsmaterials ein- bzw. ausgeschaltet wird. Aus der DE 10 2016 222 306 A1 ist bekannt, ein Granulat über einen Kolben und eine beheizte Strecke zu plastifizieren. Wenn der Kolben auf das Granulat drückt, wird dieses verdichtet und zu einer Plastifizierungszone gefördert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckkopf bereitzustellen, der den auftretenden Kräften Stand hält und einen stabilen Druckprozess ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Druckkopf für einen 3D-Drucker entwickelt. Dieser Druckkopf umfasst eine Einzugszone mit einer Zuführung für ein in seiner Viskosität veränderliches Ausgangsmaterial, eine Plastifizierungszone mit einer Heizung und einer Austrittsöffnung für die flüssige Phase des Ausgangsmaterials sowie eine Fördervorrichtung zur Förderung des Granulats von der Einzugszone in die Plastifizierungszone, wobei die Fördervorrichtung einen in die Einzugszone einführbaren Kolben umfasst. Ferner weist der Kolben einen der Plastifizierungszone zugewandten ersten Kolbenabschnitt mit einer Führungsfläche auf, durch die der Kolben in einer Ausnehmung des Druckkopfs geführt ist. Dabei kann insbesondere die Zuführung für ein als Granulat vorliegendes Ausgangsmaterial vorgesehen sein. Das Ausgangsmaterial kann insbesondere ein thermoplastisches Material sein.
Erfindungsgemäß ist der Kolben innerhalb der Ausnehmung des Druckkopfs gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Kolben durch eine formschlüssige Verbindung des ersten Kolbenabschnitts mit der Ausnehmung des Druckkopfs gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert.
Eine derartige Anordnung des Kolbens in der Ausnehmung des Druckkopfs verhindert in vorteilhafter Weise ein Verklemmen und Verkanten des Kolbens in der Ausnehmung des Druckkopfs, wodurch ein quasi verschleißfreier Betrieb des Druckkopfes ermöglicht wird. Die Erfindung stellt sicher, dass der Kolben immer optimal in der Ausnehmung des Druckkopfs geführt wird und dieser beim Auftreffen auf das Granulat nicht ausweicht, verkantet oder sich verdreht. Dadurch wird ein kontinuierlicher und dauerhafter Betrieb des Druckkopfs ermöglicht.
Die formschlüssige Verbindung des ersten Kolbenabschnitts mit der Ausnehmung des Druckkopfs sorgt dafür, dass bei elektroangetriebenen Stellern, insbesondere Elektromotoren, die durch eine Rotationsbewegung eine Linearbewegung des Kolbens erzeugen, keine Rotation auf den ersten Kolbenabschnitt übertragen wird. Dadurch wird in vorteilhafter Weise vermieden, dass sich der Kolben, bzw. der erste Kolbenabschnitt in der Ausnehmung des Druckkopfs verdreht.
Die formschlüssige Verbindung kann durch symmetrische oder asymmetrische Formen der Querschnittsfläche des ersten Kolbenabschnitts erfolgen.
In einem ersten Ausführungsbeispiel weisen der erste Kolbenabschnitt und die Ausnehmung des Druckkopfs eine polygonale, insbesondere sechseckige Querschnittsfläche auf.
Die polygonale, insbesondere sechseckige Querschnittsfläche bildet eine effektive konstruktive Maßnahme gegen ein Verkanten des ersten Kolbenabschnitts in der Ausnehmung, da in vorteilhafter Weise eine sichere Führung des Kolbens durch mehrere Führungsebenen erfolgt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise Verschleiß minimiert und die Lebensdauer des Druckkopfs verlängert werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen der erste Kolbenabschnitt und die Ausnehmung des Druckkopfs eine teilkreisförmige, insbesondere halbkreisförmige Querschnittsfläche auf.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen der erste Kolbenabschnitt und die Ausnehmung des Druckkopfs eine kreissegmentförmige Querschnittsfläche auf. Die teilkreisförmige, insbesondere halbkreisförmige Querschnittsfläche oder die kreissegmentförmige Querschnittsfläche bilden jeweils eine effektive konstruktive Maßnahme gegen ein Verkanten des ersten Kolbenabschnitts in der Ausnehmung, da in vorteilhafter Weise eine sichere Führung des Kolbens zumindest eine Führungsebene erfolgt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise Verschleiß minimiert und die Lebensdauer des Druckkopfs verlängert werden.
In einer Weiterbildung beträgt die axiale Ausdehnung der Führungsfläche des Kolbens zwischen dem 1 ,5- und dem 1 ,7-fachen der maximalen axialen Ausdehnung einer Öffnungsfläche der Zuführung zur Ausnehmung.
Die Größe der Öffnungsfläche der Zuführung zur Ausnehmung ist relevant für die Menge des zugeführten Granulats aus der Zuführung in die Ausnehmung des Druckkopfs, bzw. in die Einzugszone des Druckkopfs.
Der Überstand der Führungsfläche des Kolbens zur Öffnungsfläche der Zuführung sorgt in vorteilhafter Weise für eine stabile Führung des Kolbens in der Ausnehmung.
Überraschender Weise hat sich herausgestellt, dass mit einem Kolben, der innerhalb der Ausnehmung des Druckkopfs gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert ist, eine längere Führungsfläche gewählt werden kann, wodurch in vorteilhafter Weise die Kolbenführung optimiert und die Standzeit des Kolbens erhöht wird.
Eine axiale Ausdehnung der Führungsfläche des Kolbens vom 1 ,6-fachen der maximalen axialen Ausdehnung der Öffnungsfläche der Zuführung zur Ausnehmung hat sich als besonders günstig herausgestellt.
In einer Weiterbildung weist der erste Kolbenabschnitt eine Schneidkante zum Abscheren des Ausgangsmaterials an der Öffnungsfläche der Zuführung auf. Die Schneidkante durchschneidet Granulat, insbesondere Granulatkörner, die innerhalb der Öffnungsfläche der Zuführung liegen. Auf dieser Weise wird in vorteilhafter Weise dafür gesorgt, dass der erste Kolbenabschnitt nicht vom Granulat blockiert wird, sondern dieses durchschneidet. Ein mögliches Verkannten des ersten Kolbenabschnitts wird somit vermieden. Die Schneidkante kann aus gehärtetem Material oder einer separaten Schneide, insbesondere Hartmetall-Schneide gebildet sein.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt. Ausführungsbeispiele
Es zeigen:
Fig. 1 einen Druckkopf gemäß der Erfindung;
Fig. 2 den Druckkopf in einer Schnittzeichnung;
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel des Druckkopfs in einer Schnittzeichnung;
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel des Druckkopfs in einer Schnittzeichnung und
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Druckkopf in einer Schnittzeichnung.
Fig. 1 zeigt einen Druckkopf 10 gemäß der Erfindung. Der Druckkopf 10 für einen 3D-Drucker 1 umfasst eine Einzugszone 11 mit einer Zuführung 12 für ein in seiner Viskosität veränderliches Ausgangsmaterial 20, 21 , eine Plastifizierungszone 14 mit einer Heizung 15 und einer Austrittsöffnung 16 für die flüssige Phase 22 des Ausgangsmaterials 21 sowie eine Fördervorrichtung 30 zur Förderung des Ausgangsmaterials 21 von der Einzugszone 11 in die Plastifizierungszone 14, wobei die Fördervorrichtung 30 einen in die Einzugszone 11 einführbaren Kolben 31 umfasst. Der Kolben 31 weist einen der Plastifizierungszone 14 zugewandten ersten Kolbenabschnitt 5 mit einer Führungsfläche 9 auf, durch die der Kolben 31 in einer Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 geführt ist. Der Kolben 31 ist erfindungsgemäß innerhalb der Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert, insbesondere durch eine formschlüssige Verbindung des ersten Kolbenabschnitts 5 mit der Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10. Ferner umfasst der Druckkopf 10 ein Gehäuse 19 mit dem darin geführten Kolben 31 . Der Kolben 31 besteht aus dem ersten Kolbenabschnitt 5 und einem zweiten Kolbenabschnitt 6. Der erste Kolbenabschnitt 5 ist in Bezug auf das Ausgangsmaterial 20, 21 dichtend in der zentralen Ausnehmung 7 des Gehäuses 19 geführt. Es hindert die feste Phase 21 des Ausgangsmaterials 20 am Entweichen und drückt diese feste Phase 21 aus der Einzugszone 11 in die Kompressionszone 11 a, wo sich eine Grenzschicht 11 b zur flüssigen Phase 22 des Ausgangsmaterials 20 ausbildet. Der zweite Kolbenabschnitt 6 liegt oberhalb des ersten Kolbenabschnitts 5 und wird beispielsweise über eine Spindel eines nicht dargestellten Motors in vertikaler Richtung 38 bewegt. Bevorzugt werden Elektromotoren angewendet. Bei Bewegung des Kolbens 31 in Richtung der Austrittsöffnung 16 des Druckkopfes 10 wird die flüssige Phase 22 des Ausgangsmaterials 20 aus der Austrittsöffnung 16 ausgestoßen. Fig. 1 ist eine Momentaufnahme in dem Zustand, in dem genau dies möglich ist, der Druckkopf 10 also druckbereit ist. In diesem Zustand ist das Arbeitsvolumen 17 innerhalb der zentralen Ausnehmung 7 im Gehäuse 19 des Druckkopfes 10 vergleichsweise klein.
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die feste Phase 21 des Ausgangsmaterials 20 über einen Trichter 12 zugeführt und rieselt in die Einzugszone 11 im Druckkopf 10, sobald der Kolben 31 hinter diese Einzugszone 11 zurückgezogen wird. Das Ausgangsmaterial 20 ist bevorzugt ein Granulat. Damit dieses Nachrieseln möglich ist, darf in der Einzugszone 11 nur die feste Phase 21 des Ausgangsmaterials vorliegen. Diese feste Phase 21 darf insbesondere nicht aufschmelzen und verkleben. Daher ist die Einzugszone 11 über Kühlmittel 13 von außen gekühlt. Die Kühlmittel 13 umfassen eine aktive Kühlung 13a mit einem Kühlmedium und eine passive Kühlung 13b mit Kühlrippen. Dies trägt dazu bei, dass die Temperatur TS in der Einzugszone unterhalb der Temperatur TP bleibt, ab der die feste Phase 21 des Ausgangsmaterials 20 plastifiziert.
Ferner kann an der Zuführung 12 eine nicht dargestellte Lufteinblasdüse angeordnet werden, die bevorzugt in der Nähe einer Öffnungsfläche 8 der Zuführung 12 zur Ausnehmung 7 angeordnet ist. Die Lufteinblasdüse sorgt dafür, dass durch unter Druck eingeblasene Luft, das Granulat, welches nicht vollständig in die Einzugszone 11 hineingerieselt ist, entweder in die Einzugszone 11 hineingeblasen oder aus dem Bereich der Öffnungsfläche 8 den Trichter 12 hinaufzublasen, so dass der Kolben 31 problemlos die Öffnungsfläche 8 verschließen kann.
Die feste Phase 21 des Ausgangsmaterials 20 wird in der Plastifizierungszone 14 mittels der Heizung 15 erwärmt und hierdurch in die flüssige Phase 22 umgewandelt, die bei Druckbeaufschlagung aus der Austrittsöffnung 16 auszutreten vermag.
Der Verlauf der Temperatur T entlang der Achse 19b des Gehäuses 19 ist rechts in Fig. 1 skizziert.
Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Druckkopf 10 in einer Schnittzeichnung eines vertikalen Schnitts durch den Druckkopf 10. Der Kolben 31 weist einen, der Plastifizierungszone 14 zugewandten, ersten Kolbenabschnitt 5 mit einer Führungsfläche 9 auf, durch die der Kolben 31 in einer Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10, bzw. des Gehäuses 19 geführt ist.
Die Führungsfläche 9 ist in ihrer axialen Ausdehnung b länger als eine maximale axiale Ausdehnung k einer Öffnungsfläche 8 der Zuführung 12 zur Ausnehmung 7. Die Öffnungsfläche 8 der Zuführung 12 zur Ausnehmung 7 ist derart ausgelegt, dass das zugeführte Granulat 21 optimal in die Ausnehmung, bzw. in die Einzugszone 11 zugeführt werden kann.
Die axiale Ausdehnung b der Führungsfläche 9 des Kolbens 31 beträgt bevorzugt zwischen dem 1 ,5- und dem 1 ,7-fachen, insbesondere das 1 ,6-fache der maximalen axialen Ausdehnung b der Öffnungsfläche 8.
Ferner weist der erste Kolbenabschnitt 5 einen Abstand di , d4 auf.
Der dargestellte Kolben 31 mit der entsprechend dimensionierten Führungsfläche 9 vermeidet ein Verkanten des Kolbens 31 in der Ausnehmung 7 und verringert ein Eindringen des verformten Granulats in den Spalt zwischen der Führungsfläche 9 und der Ausnehmung 7. Der Kolben 31 weist ferner den zweiten Kolbenabschnitt 6 auf, dessen Kolbendurchmesser d2 kleiner ist als ein horizontaler Abstand di des ersten Kolbenabschnitts 5, wobei dieser ein horizontaler Abstand di, eine horizontale Diagonale d4 oder ein horizontaler Durchmessers di des ersten Kolbenabschnitts 5 sein kann.
Fig. 3 zeigt eine Schnittzeichnung eines horizontalen Schnitts des Kolbens 31 eines ersten Ausführungsbeispiels, wobei der Kolben 31 innerhalb der Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert ist. Der Kolben 31 ist durch eine formschlüssige Verbindung des ersten Kolbenabschnitts 5 mit der Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert.
In dieser Ausführungsform weisen der erste Kolbenabschnitt 5 und die Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 eine polygonale, insbesondere sechseckige Querschnittsfläche auf.
Der erste Kolbenabschnitt 5 bildet an seiner zur Öffnungsfläche 8 hin gerichteten Seite eine ebene Fläche 3 aus und ein maximaler horizontale Durchmesser da der Öffnungsfläche 8 ist hier kleiner als ein horizontaler Abstand d4 des ersten Kolbenabschnitts 5. Der horizontale Abstand d4 ist der Abstand einer Diagonalen zweier sich gegenüberliegender Kanten 18 der polygonalen Grundfläche des ersten Kolbenabschnitts 5.
Ferner ist der zweite Kolbenabschnitt 6 dargestellt, dessen Kolbendurchmesser da kleiner ist als eine horizontaler Abstand di des ersten Kolbenabschnitts 5, wobei der horizontale Abstand di des ersten Kolbenabschnitts 5, der Abstand der parallel gegenüberliegenden Flächen 2 des ersten Kolbenabschnitts 5 ist.
Fig. 4 zeigt eine Schnittzeichnung eines horizontalen Schnitts des Kolbens 31 eines zweiten Ausführungsbeispiels, wobei der Kolben 31 innerhalb der Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert ist. Der Kolben 31 ist durch eine formschlüssige Verbindung des ersten Kolbenabschnitts 5 mit der Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert.
In dieser Ausführungsform weisen der erste Kolbenabschnitt 5 und die Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 eine polygonale, insbesondere sechseckige Querschnittsfläche auf. Der erste Kolbenabschnitt 5 weist zueinander parallele ebenen Flächen 2 auf. Ferner ist eine Kante 18 des Kolbenabschnitts 5 mittig zur Öffnungsfläche 8 ausgerichtet und der maximale horizontale Durchmesser da der Öffnungsfläche 8 ist kleiner als der horizontale Abstand di der parallelen ebenen Flächen 2 des ersten Kolbenabschnitts 5.
In einem dritten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, weisen der erste Kolbenabschnitt 5 und die Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 eine teilkreisförmige, insbesondere halbkreisförmige Querschnittsfläche auf.
In einem vierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, weisen der erste Kolbenabschnitt 5 und die Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10 eine kreissegmentförmige Querschnittsfläche auf.
Ein Kreissegment beschreibt dabei eine Teilfläche einer Kreisfläche, die von einem Kreisbogen und einer Kreissehne begrenzt wird.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Druckkopfes 10 in einer Schnittzeichnung eines vertikalen Schnitts durch den Druckkopf 10, wobei der erste Kolbenabschnitt 5 eine Schneidkante 4 zum Abscheren des Ausgangsmaterials 21 in Granulatform an der Öffnungsfläche 8 der Zuführung 12 aufweist. Die Schneidkante 4 ist aus einem gehärtetem Material gebildet und weist in der hier dargestellten Form ein separates Schneidwerkzeug, insbesondere eine Wendeplatte auf.
Der Kolben 31 weist auch hier den, der Plastifizierungszone 14 zugewandten, ersten Kolbenabschnitt 5 mit der Führungsfläche 9 auf, durch die der Kolben 31 in der Ausnehmung 7 des Druckkopfs 10, bzw. des Gehäuses 19 geführt ist.
Die Öffnungsfläche 8 der Zuführung 12 zur Ausnehmung 7 ist derart ausgelegt, dass das zugeführte Granulat 21 optimal in die Ausnehmung, bzw. in die Einzugszone 11 zugeführt werden kann.
Ferner weist der erste Kolbenabschnitt 5 den Abstand di , d4 auf.
Der dargestellte Kolben 31 mit der entsprechend dimensionierten Führungsfläche
9 vermeidet ein Verkanten des Kolbens 31 in der Ausnehmung 7 und verringert ein Eindringen des verformten Granulats in den Spalt zwischen der Führungsfläche 9 und der Ausnehmung 7.
Der Kolben 31 weist ferner den zweiten Kolbenabschnitt 6 auf, dessen Kolbendurchmesser d2 kleiner ist als der Abstand di, d4 des ersten
Kolbenabschnitts 5.
Der Druckkopf 10 kann in beliebige 3D-Drucker integriert werden.

Claims

Ansprüche
1. Druckkopf (10) für einen 3D-Drucker (1), umfassend eine Einzugszone (11) mit einer Zuführung (12) für ein in seiner Viskosität veränderliches Ausgangsmaterial (21), eine Plastifizierungszone (14) mit einer Heizung (15) und einer Austrittsöffnung (16) für die flüssige Phase (22) des Ausgangsmaterials (21) sowie eine Fördervorrichtung (30) zur Förderung des Ausgangsmaterials (21) von der Einzugszone (11) in die Plastifizierungszone (14), wobei die Fördervorrichtung (30) einen in die Einzugszone (11) einführbaren Kolben (31) umfasst, wobei der Kolben (31) einen der Plastifizierungszone (14) zugewandten ersten Kolbenabschnitt (5) mit einer Führungsfläche (9) aufweist, durch die der Kolben (31) in einer Ausnehmung (7) des Druckkopfs (10) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (31) innerhalb der Ausnehmung (7) des Druckkopfs (10) gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert ist.
2. Druckkopf (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (31) durch eine formschlüssige Verbindung des ersten Kolbenabschnitts (5) mit der Ausnehmung (7) des Druckkopfs (10) gegenüber einer radialen Verdrehung gesichert ist.
3. Druckkopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolbenabschnitt (5) und die Ausnehmung (7) des Druckkopfs (10) eine polygonale, insbesondere sechseckige Querschnittsfläche aufweisen.
4. Druckkopf (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolbenabschnitt (5) und die Ausnehmung (7) des Druckkopfs (10) eine teilkreisförmige, insbesondere halbkreisförmige Querschnittsfläche aufweisen.
5. Druckkopf (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolbenabschnitt (5) und die Ausnehmung (7) des Druckkopfs (10) eine kreissegmentförmige Querschnittsfläche aufweisen.
6. Druckkopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Ausdehnung (b) der Führungsfläche (9) des Kolbens (31) zwischen dem 1 ,5- und dem 1 ,7-fachen einer maximalen axialen Ausdehnung (k) einer Öffnungsfläche (8) der Zuführung (12) zur Ausnehmung (7) beträgt.
7. Druckkopf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolbenabschnitt (5) eine Schneidkante (4) zum Abscheren des Ausgangsmaterials (21) an der Öffnungsfläche (8) der Zuführung (12) aufweist.
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