ES2828446T3

ES2828446T3 - Dispositivo para producir modelos tridimensionales con un cabezal de impresión con control de temperatura

Info

Publication number: ES2828446T3
Application number: ES13805239T
Authority: ES
Inventors: Ingo Ederer; Daniel Günther
Original assignee: Voxeljet AG
Current assignee: Voxeljet AG
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2021-05-26
Anticipated expiration: 2033-10-10
Also published as: US20210206055A1; KR102338072B1; KR20200105537A; EP2906410B1; US20150266238A1; EP2906410A1; US11097469B2; DE102013004940A1; KR20150070299A; CN104718063A; CN109732917A; WO2014059958A1

Abstract

Dispositivo para producir modelos tridimensionales mediante tecnología de aplicación de capas, siendo el dispositivo adecuado para aplicar material de construcción particulado a un campo de construcción, a continuación aplicar un agente moderador selectivamente al material de construcción a través de un cabezal de impresión de inyección de tinta y consolidar las áreas impresas suministrando energía IR, caracterizado por que el cabezal de impresión (100) está protegido del calentamiento excesivo por refrigeración activa y / o pasiva (600) y por que el dispositivo (104) presenta una regulación de temperatura que, en conjunto con un sensor de temperatura (500), regula las posibilidades de calentamiento en el espacio de construcción (111), en donde el intervalo de temperatura de la atmósfera del espacio de construcción está regulado de 60 ° C a 120 ° C y el gradiente de temperatura a este respecto en el campo de construcción no excede los 10 ° C.

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo para producir modelos tridimensionales con un cabezal de impresión con control de temperatura La invención hace referencia a un dispositivo para la producción de modelos tridimensionales de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 de la patente.

El documento de patente europea EP 0 431 924 B1 describe un procedimiento para producir objetos tridimensionales a partir de datos informáticos. A este respecto, un material particulado se aplica en una capa delgada sobre una plataforma y esta se imprime selectivamente con un material aglutinante por medio de un cabezal de impresión. El área de partículas impresas con el aglutinante se adhiere y se consolida bajo la influencia del aglutinante y, dado el caso, un endurecedor adicional. A continuación la plataforma se baja a un grosor de capa en un cilindro de construcción y se le provee de una nueva capa de material particulado, que también se imprime como se describe anteriormente. Estos pasos se repiten hasta que se alcanza una determinada altura deseada del objeto. Se crea así un objeto tridimensional a partir de las áreas impresas y consolidadas.

El documento WO2007/114895A2 describe un procedimiento de impresión 3D en el que el material particulado se sinteriza o se funde mediante energía utilizando un absorbente. Una gestión de temperatura especial como se describe en la presente solicitud no se describe ni se sugiere en la misma.

Este objeto fabricado de material particulado consolidado se incrusta en material particulado suelto después de su finalización y a continuación se libera de él. Esto se realiza, por ejemplo, por medio de un dispositivo de succión. Lo que queda después son los objetos deseados, que entonces se liberan del polvo residual, por ejemplo, mediante cepillado.

También funcionan de manera similar otros procesos de creación rápida de prototipos soportados en polvo, como la sinterización selectiva por láser o la sinterización por haz de electrones, en los que asimismo en cada caso un material de partículas sueltas se aplica en capas y se solidifica selectivamente con la ayuda de una fuente de radiación física controlada.

A continuación, todos estos procedimientos se resumen bajo el término "procedimiento de impresión tridimensional" o procedimiento de impresión 3D.

La impresión 3D sobre la base de materiales en polvo y la introducción de aglutinantes líquidos es el procedimiento más rápido entre las tecnologías de construcción en capas.

Con este procedimiento, se pueden procesar distintos materiales particulados, incluidos entre otros, materiales poliméricos. La desventaja en este caso, sin embargo, es que el relleno de material a granel no puede exceder una cierta densidad aparente a granel, que habitualmente es el 60% de la densidad de sólidos. Sin embargo, la resistencia de los componentes deseados depende en gran medida de la densidad alcanzada. A este respecto, sería necesario añadir en este caso un 40%, y más, del volumen de material particulado en forma de aglutinante líquido para asegurar una alta resistencia de los componentes. Este no es solo un proceso que requiere relativamente bastante tiempo debido a la introducción por gotas, sino que también causa muchos problemas de proceso, que se dan, por ejemplo, por la pérdida inevitable de la cantidad de líquido durante la solidificación.

En otra forma de realización, conocida por los expertos en la técnica con el término "sinterización de alta velocidad", abreviado HSS, la consolidación del material particulado tiene lugar mediante la introducción de radiación infrarroja. El material particulado se une físicamente a este respecto mediante un proceso de fusión. En este sentido, se utiliza la absorción relativamente pobre de radiación térmica en plásticos incoloros. Sin embargo, esta se puede aumentar en gran medida introduciendo un aceptor de IR, también llamado moderador, en el plástico. La radiación IR se puede introducir a este respecto de distintas formas, como una lámpara IR con forma de varilla que se mueve uniformemente sobre el campo de construcción. La selectividad se logra imprimiendo específicamente la capa respectiva con un aceptor de IR. En las áreas que se han impreso, la radiación IR se acopla mucho mejor al material particulado que en las áreas no impresas. Esto conduce a un calentamiento selectivo en la capa por encima del punto de fusión y, por tanto, a una consolidación selectiva. Este proceso se describe, por ejemplo, en los documentos EP1740367B1 y EP1648686B1. Allí también se muestra un dispositivo simple, que, sin embargo, solo es funcional a pequeña escala y no es adecuado para imprimir en campos de construcción más grandes, ya que no existe una gestión de temperatura correspondiente.

Por lo tanto, un objetivo de la presente invención es proporcionar un dispositivo escalable con el que el proceso HSS sea posible o al menos mejore las desventajas del estado de la técnica.

El objetivo en el que se basa la solicitud se logra mediante un dispositivo para producir modelos tridimensionales utilizando tecnología de aplicación de capas, siendo el dispositivo adecuado para aplicar material de construcción particulado a un campo de construcción, para aplicar a continuación selectivamente un agente moderador al material de construcción a través de un cabezal de impresión de inyección de tinta y consolidar las áreas impresas a través de alimentación de energía IR, caracterizado por que el cabezal de impresión (100) está protegido del calentamiento excesivo mediante refrigeración activa y / o pasiva (600) y por que el dispositivo (104) presenta una regulación de temperatura que, en cooperación con un sensor de temperatura (500), regula las posibilidades de calentamiento en el espacio de construcción (111), en donde el intervalo de temperatura de la atmósfera del espacio de construcción está regulado de 60 ° C a 120 ° C y el gradiente de temperatura en el campo de construcción a este respecto no sobrepasa 10 ° C.

El dispositivo de acuerdo con la invención a este respecto consta de un plano de construcción sobre el que se depositan capas del material particulado. El plano de construcción se mueve a través de un espacio de construcción en capas mediante una unidad de desplazamiento lineal. El espacio de constructivo se puede definir, por ejemplo, mediante un contenedor intercambiable que se puede extraer del dispositivo al final del proceso. Las piezas del dispositivo para la aplicación de capas se mueven en una cámara de proceso. El dispositivo para la aplicación de capas puede ser, por ejemplo, un elemento de recubrimiento por vibración de acuerdo con el documento (DE10216013B4) o un rodillo contrarrotatorio (EP0538244B1) o una simple rasqueta, que aplica el material particulado en una capa delgada de 20 gm a 300 gm de grosor, preferiblemente de 50 gm a 200 gm de grosor en el campo de la construcción.

En la cámara de proceso también hay un cabezal de impresión que dispone al menos de una boquilla y que imprime la capa respectiva con un aceptor de IR.

Básicamente, existe la posibilidad de que la aplicación del aceptor de IR se deposite en forma de un haz o en forma de gotas individuales en forma de vector sobre el campo de construcción. Para lograr una resolución adecuada, el tamaño del chorro o gota debería estar en un intervalo de 20 a 200 gm. Para lograr velocidades de proceso más altas, es ventajoso utilizar un cabezal de impresión que genere gotas individuales a través de una pluralidad de toberas y se mueva en un patrón de rejilla sobre el plano de construcción. En la cámara de proceso hay además una lámpara de infrarrojos que ilumina el plano de construcción en conjunto o las partes del plano de construcción en forma de un punto o una línea. En los dos últimos casos, la lámpara de infrarrojos debe moverse sobre el campo de construcción con una unidad de desplazamiento para iluminar todo el campo de construcción. Se ha demostrado que es ventajosa una lámpara de infrarrojos en forma de varilla que se extiende por todo el ancho del campo de construcción e ilumina un área relativamente estrecha en la dirección de desplazamiento. Las unidades de desplazamiento para mover el elemento de recubrimiento, el cabezal de impresión y la lámpara de infrarrojos se pueden realizar de forma independiente o en combinación entre sí. Ventajosamente, la lámpara en la realización en forma de varilla está dispuesta en el lado trasero de la unidad de revestimiento. De esta manera, el elemento de recubrimiento puede realizar la exposición al volver a la posición inicial, mientras que el movimiento en la otra dirección se utiliza para revestir con una potencia de lámpara posiblemente reducida. En esta realización, el cabezal de impresión se puede montar en un eje de movimiento adicional más atrás de la lámpara.

El plano de construcción se mueve preferiblemente en un cilindro de construcción que está abierto al menos en el lado del plano de construcción y junto con éste forma el espacio de la construcción. Ventajosamente, el espacio de construcción puede retirarse del dispositivo una vez finalizado el procedimiento de impresión. A continuación, el dispositivo puede llevar a cabo un procedimiento de construcción de capa nuevo insertando un espacio de construcción adicional.

Con el procedimiento HSS, muchos materiales poliméricos se pueden procesar en forma de partículas, como por ejemplo la poliamida. El grafito, por ejemplo, que se mezcla como una suspensión en un líquido portador, puede servir como aceptor de IR. Varios líquidos fáciles de imprimir, como por ejemplo, isopropanol, dimetil succinato y, con restricciones, etanol o agua, son adecuados como líquidos portadores.

El proceso debe ajustarse de tal manera que la temperatura en las áreas impresas se sitúe al menos brevemente por encima del punto de fusión del material particulado. Para la poliamida 12, abreviada PA12, esto es alrededor de 180 ° C. En las áreas no impresas, sin embargo, la temperatura debería ser lo más baja posible, ya que el material polimérico puede cambiar irreversiblemente incluso a una temperatura más baja.

La cantidad de energía IR que se introduce en el material particulado se puede ajustar, por ejemplo, a través de la potencia de la lámpara o también a través de la velocidad de desplazamiento de la lámpara en forma de varilla sobre el campo de construcción. La desventaja del procedimiento es que el líquido portador para el aceptor de IR se evapora en las áreas impresas y la temperatura en las áreas desciende como resultado durante esta operación. Por tanto, es ventajoso tomar las medidas adecuadas para elevar la temperatura en el espacio de construcción a un nivel superior con el fin de mantener la diferencia de temperatura necesaria que debe superarse con la lámpara lo más baja posible. A este respecto, debe asegurarse de nuevo que la temperatura no se seleccione demasiado alta para mantener bajo el daño al material particulado. En principio, también existe la posibilidad de calentar el material particulado antes del revestimiento. Sin embargo, se ha demostrado que el material particulado se ajusta a la temperatura ambiente muy rápidamente durante y después del revestimiento y libera la energía térmica nuevamente. Para PA 12, un intervalo de temperatura para la atmósfera del espacio de construcción de 60 ° C - 120 ° C ha demostrado ser ventajoso. Un intervalo de temperatura de 75 ° C a 95 ° C es aún más ventajoso. A estas temperaturas, es posible que el material particulado ya comience a reaccionar con el oxígeno del aire. Por tanto, puede ser necesario aplicar un gas protector al espacio de construcción. Como gas protector es adecuado el nitrógeno, por ejemplo, también se pueden utilizar otros gases como el argón.

Para aumentar la temperatura en el espacio de construcción al nivel deseado, puede ser necesario proporcionar calentadores adicionales en el dispositivo. Esto podría realizarse, por ejemplo, en forma de radiadores IR sobre el campo de construcción, que calientan todo el campo de construcción de la manera más uniforme posible; sin embargo, también sería concebible extraer el aire de la cámara de procedimiento, calentarlo con medios correspondientes como, por ejemplo, un registro de instalación de calentamiento e insuflarlo de nuevo al espacio de proceso. Además, es ventajoso que el calor en el espacio de proceso se mantenga lo más constante posible. Para ello resulta ventajoso una regulación de temperatura, que, junto con un sensor de temperatura, regula las posibilidades de instalación de calentamiento en el espacio de construcción. El gradiente de temperatura en el campo de construcción no debería exceder a este respecto los 10 ° C. Para simplificar la regulación de la temperatura, es deseable que el medio ambiente pierda la menor cantidad de calor posible. Por lo tanto, es necesario aislar la cámara de proceso con las medidas adecuadas y proporcionar juntas adecuadas en puertas y trampillas. Lo mismo se cumple con el espacio de construcción, que también está diseñado para que se emita poco calor al ambiente. Esto se realiza mediante una realización de doble pared del cilindro de construcción con un aislamiento correspondiente en los puntos de contacto. En principio, también es posible compensar la pérdida de temperatura en el espacio de construcción mediante un calentamiento activo, por ejemplo, de las paredes internas del cilindro de la construcción y / o la plataforma de construcción. Otra posibilidad es la introducción activa de gas calentado en el espacio de construcción, que sirve como portador de energía y emite el calor a la carga de material a granel particulado. El gas se puede introducir, por ejemplo, a través de orificios en la plataforma de construcción.

Los denominados dosificadores de tubo pueden servir como cabezal de impresión, que dirigen un flujo de líquido al campo de la construcción a través de una boquilla. El flujo de líquido contiene el aceptor de IR, por ejemplo en forma de partículas sólidas de grafito en una suspensión de disolvente. La boquilla debería presentar un diámetro de 0,1 0,5 mm para una resolución de impresión adecuada. Se puede usar una válvula delante de la boquilla, que puede cambiar el flujo de líquido rápidamente. La boquilla debería moverse a una distancia corta de unos pocos mm a través del campo de construcción para asegurar la precisión de posicionamiento de la colocación del flujo de líquido. El dosificador de tubo se mueve en forma vectorial por el campo de construcción mediante al menos dos ejes lineales. Preferiblemente, la cinemática consta de un pórtico formado por tres ejes lineales. En principio, también son concebibles otras cinemáticas de movimiento, como por ejemplo un robot de brazo articulado que guía al dosificador de tubo por el campo de la construcción.

En una realización preferida, el aceptor de IR se dosifica en el campo de la construcción en forma líquida mediante un cabezal de impresión con una pluralidad de generadores de gotas individuales. Dichos cabezales de impresión son conocidos por muchas aplicaciones, entre otros también la impresión 3D, donde en lugar del aceptor de IR, se dosifica un aglutinante en capas sobre un material particulado.

Dichos generadores de gotas funcionan según diferentes principios, como el piezoeléctrico o el principio de chorro de burbujas. Además de estos generadores de gotas individuales denominados gota a demanda (drop on demand), también se conocen sistemas de funcionamiento continuo en los que se genera una corriente conmutable de gotas individuales. En principio, todos estos sistemas son adecuados para el objetivo mencionado, pero los sistemas piezoeléctricos tienen serias ventajas en términos de vida útil, rendimiento y economía.

Los sistemas de impresión piezoeléctricos funcionan con una o más toberas abiertas. Los diámetros de las toberas habitualmente son inferiores a 80 pm. Se actúa sobre el líquido brevemente con un pulso de presión en cámaras de bombeo muy pequeñas a través de un actuador piezoeléctrico. El líquido se acelera intensamente en las toberas y sale de ellas en forma de gotas. Este modo de funcionamiento da como resultado determinados límites para el presente dispositivo. El líquido debe tener una viscosidad relativamente baja. La viscosidad debería ser preferiblemente inferior a 20 mPas. Además, las partículas de aceptor de IR mezcladas con el líquido portador deben ser significativamente más pequeñas que el ancho de canal más estrecho del sistema de impresión. Por tanto, las partículas son preferiblemente menores de 5 pm e incluso más preferiblemente menores de 1 pm. Debido a la forma en que funciona el sistema de presión a través del golpe de ariete, es necesario que todos los canales y las cámaras de bombeo estén llenos de líquido sin burbujas de gas. Para que esto siga siendo así durante el funcionamiento, es necesario elegir un líquido portador que presente una temperatura de evaporación por encima de la temperatura de funcionamiento del dispositivo o controlar la temperatura del líquido para que no tenga lugar ninguna transición de fase en el líquido. Además, los actuadores piezoeléctricos presentan una temperatura límite hasta la que normalmente se pueden calentar sin sufrir daños irreversibles. Esta temperatura se sitúa habitualmente por debajo de los 120 ° C.

De las realizaciones anteriores se puede ver que el sistema de impresión debe protegerse de demasiada radiación IR en la sala de proceso, por un lado, y la temperatura del sistema de impresión debe regularse independientemente de la temperatura de la sala de proceso, por otro lado.

La protección del sistema de impresión de la radiación IR puede tener lugar mediante un blindaje correspondiente y / o mediante separación respecto a las fuentes de radiación. Esto se puede lograr fácilmente con las fuentes de radiación desde arriba y desde los lados. Sin embargo, el cabezal de impresión no puede protegerse de la radiación desde abajo porque debe moverse muy cerca del lecho de polvo de 1 a 5 mm, preferiblemente de 2-3 mm. Esta pequeña distancia es necesaria para garantizar un posicionamiento preciso de las pequeñas gotas de líquido en el campo de construcción Por esta razón, es necesario que el tiempo de permanencia del cabezal de impresión por encima del campo de construcción en caliente se mantenga lo más breve posible.

A pesar de las medidas mencionadas, la temperatura deseada del sistema de impresión de 40 ° C - 60 ° C es significativamente más baja que la de la sala de procedimiento. Para ello, deben preverse las medidas de refrigeración correspondientes.

Estas medidas se dividen en refrigeración interna, refrigeración externa y partición. Solo una combinación de distintas medidas permite una regulación exacta. Es necesario regular la temperatura porque la viscosidad del fluido hidráulico depende en gran medida de la temperatura. El rendimiento de dosificación del cabezal de impresión está, a su vez, vinculado a la viscosidad, por lo que una regulación imprecisa puede conducir a entradas fluctuantes del medio moderador. Esto puede provocar una distorsión de los componentes.

Para una explicación más detallada, la invención se describe con más detalle a continuación mediante ejemplos de realización preferidos con referencia al dibujo.

El dibujo muestra a este respecto:

La figura 1 muestra un procedimiento conocido por el estado de la técnica;

la figura 2 esquema del flujo de procedimiento de una impresora 3D que funciona según el principio HSS la figura 3 muestra una representación gráfica de los tiempos de permanencia del cabezal de impresión sobre el campo de construcción calentado en un proceso según la figura 2;

la figura 4 muestra la estructura de un cabezal de impresión según el estado de la técnica

la figura 5 muestra un diagrama de la regulación de la temperatura de un cabezal de impresión según el estado de la técnica

la figura 6 muestra un diagrama ampliado de la regulación de la temperatura de un cabezal de impresión según el estado de la técnica con refrigeración interna o externa del cabezal de impresión

la figura 7 un diagrama de la refrigeración mediante lavado o activación de la boquilla

figura 8 una vista oblicua y una vista lateral de un módulo de presión con líneas de corriente indicadas del aire de refrigeración

la figura 9 muestra una vista en sección de los canales de refrigerante para la refrigeración de los módulos y la placa de cubierta

la figura 10 una vista en sección de los elementos Peltier para la refrigeración activa del cabezal de impresión a través de conductos de refrigeración masivos

la figura 11 una vista en sección de un cabezal de impresión con superficies para la refrigeración por evaporación

la figura 12 una vista superior de un dispositivo preferido con particiones como diagrama de bloques la figura 13 una vista lateral de una realización preferida con tabique

figura 14 una vista superior de una forma de realización preferida con una partición móvil

la figura 15 una vista lateral de una forma de realización preferida con cortina de aire

la figura 16 una vista lateral de un dispositivo preferido con refrigeración de aire de cabezal de impresión la figura 17 una vista lateral de un dispositivo para el contacto activo con un dispositivo de limpieza refrigerado por líquido y un bloque de refrigeración

la figura 18 una vista superior de un dispositivo de acuerdo con la invención con bordes de campo de construcción refrigerados

la figura 19 una vista superior de una realización preferida con una lámpara lineal, control por segmentos y un diagrama de la velocidad de desplazamiento.

La figura 1 muestra un dispositivo conocido según el estado de la técnica. Sirve para producir cuerpos como el objeto 103. La complejidad del cuerpo 103 a este respecto es casi ilimitada. El dispositivo se denomina en lo sucesivo impresora 3D.

El proceso de construcción de un cuerpo 103 comienza moviendo la plataforma de construcción móvil 102 a su posición más alta en el dispositivo 104. A este respecto hay al menos todavía un grosor de capa entre la plataforma de construcción 102 y el borde inferior del elemento de recubrimiento 101. El elemento de recubrimiento se mueve a una posición delante del campo de construcción 111 mediante un sistema de ejes (no mostrado). En este punto, el elemento de recubrimiento 101 con su suministro 113 de material particulado comienza a vibrar. A este respecto el material particulado sale de la hendidura 112. Mediante un movimiento hacia adelante 106 del elemento de recubrimiento 101, la capa todavía vacía se llena con el material 110 que fluye hacia afuera.

A continuación o aún durante el movimiento del elemento de recubrimiento 101, el cabezal de impresión 100 se pone en movimiento con un sistema de ejes, tampoco mostrado. Este sigue una vía 105 serpenteante que atraviesa el campo de la construcción. A este respecto deposita gotas de aglutinante 109 de acuerdo con las imágenes en sección del cuerpo 103 a producir y solidifica estas zonas. Este principio fundamental se mantiene independientemente del cabezal de impresión 100 utilizado. Dependiendo del tamaño de construcción, la vía serpenteante 105 se reduce en el caso extremo a un simple movimiento hacia adelante y hacia atrás.

Después de la impresión, la plataforma 102 de construcción se mueve en la dirección 108. De este modo se crea una nueva capa 107 para el elemento de recubrimiento 101. Con el desplazamiento del elemento de recubrimiento 101 a su posición inicial, el ciclo de capa comienza de nuevo. Repitiendo este ciclo, el componente 103 se forma al final. Después del proceso de construcción, el componente 103 puede liberarse del polvo suelto que todavía lo rodea.

Una variante de este proceso es el proceso de consolidación descrito anteriormente mediante sinterización de las partículas del material particulado. El desarrollo de tal procedimiento se muestra en la figura 2. Este es una extensión de la impresora 3D descrita anteriormente.

La representación muestra la operación de impresión bajo I, que es análoga a la descripción anterior. El cabezal de impresión 100 se mueve en forma de meandro y deposita gotas con medios moderadores 109 en la zona del componente 103. El dispositivo 104 está construido en gran parte como una impresora 3D. La generación de gotas se basa preferiblemente en el principio piezoeléctrico, ya que permite construir cabezales de impresión con la máxima vida útil posible. Este efecto solo se puede utilizar hasta un cierto límite de temperatura Tlím, más allá de la cual la generación de gotas se ve perturbada o el generador de gotas sufre daños irreversibles.

La etapa II difiere de la descripción anterior. A este respecto, una lámpara de calor, que genera radiación 201 adaptada al medio moderador, se guía a través del campo de construcción. Cuando se alcanzan las áreas impresas, el rendimiento calorífico se acopla bien al material particulado y produce la sinterización. El resto del campo de construcción a este respecto también absorbe cantidades considerables de calor.

Las etapas del procedimiento III y IV de nuevo por completo son análogas a la descripción de la impresión 3D. Primero, la plataforma de construcción 102 se baja en la dirección 108 hacia el dispositivo 104. El elemento de recubrimiento 101 llena entonces la capa 110 con nuevo material particulado.

La figura 3 muestra una vista superior de un dispositivo preferido de acuerdo con la invención. Se ha omitido el cabezal de impresión 100 para una mejor representación de la vía de cabezal de impresión 105 en forma de meandro. Se puede ver que el cabezal de impresión realiza largos tramos de su movimiento sobre el campo de construcción 111. En términos simplificados, el campo de la construcción presenta una temperatura fija T111. Al comienzo del proceso, el cabezal de impresión tiene la temperatura T100 = Tinicio. La figura 3 también muestra además una representación esquemática del tiempo de permanencia del cabezal de impresión 100 por encima del campo de construcción 111. El esquema reproduce los pasos del proceso de la figura 2.

Suponiendo que el campo de construcción presenta la temperatura Till, resultan las relaciones representadas en los diagramas adicionales de la Figura 3. El cabezal de impresión se calienta en cada caso sobre el área de construcción. Después puede volver a emitir calor al ambiente en su posición de reposo. Dependiendo de la absorción de calor por encima del campo de construcción y la emisión de calor en la posición de reposo, se establece una temperatura estacionaria entre la temperatura de inicio Tinicio y la temperatura del campo de construcción T111. Se muestra que si el rendimiento de impresión deseado es alto, el cabezal de impresión debe protegerse del calentamiento excesivo por encima del Tlím con una refrigeración activa y / o pasiva. Además, el cabezal de impresión debe mantenerse en un intervalo de temperatura muy estrecho para garantizar los mismos rendimientos de dosificación. En este caso se prefieren particularmente 40-60 °C. La experiencia ha demostrado que una regulación de - 2 °C produce buenos resultados de impresión.

La figura 4 muestra la estructura de un cabezal de impresión 100 según el estado de la técnica. Varios grupos constructivos están integrados en una carcasa 212. Los módulos de impresión 400 son esenciales para la generación de gotas 109. Estos contienen las toberas, los accionamientos piezoeléctricos y el sistema de fluidos para distribuir el líquido. Además, generalmente se integra una instalación de calentamiento para la regulación de la temperatura. Estos módulos 400 a menudo se compran a fabricantes de cabezales de impresión como Dimatix, Xaar, Seico, Epson, Konica o Kyocera. No es posible intervenir en la estructura interna. Los módulos 400 están conectados mediante mangueras, una válvula 406 y un filtro 407 a un tanque de almacenamiento 401 que contiene el fluido a presión 408. Existen conexiones eléctricas con la regulación de instalación de calentamiento 413 y la electrónica de datos 414. Las conexiones en cada caso están dirigidas al exterior (415, 416). El tanque de almacenamiento está conectado en cada caso a otros conductos conectados a través de las válvulas (409, 410 y 411) con presión negativa, sobrepresión y el conducto de recarga. Estas se conducen en cada caso de nuevo al exterior (417, 418 y 419).

En el lado inferior, el cabezal de impresión está protegido contra la penetración de líquidos o suciedad a través de una placa de cubierta 402. Los módulos y la placa de cubierta absorben el calor 404 en forma de radiación y convección mientras viajan por el campo de construcción 111. Si la temperatura supera el valor establecido de la regulación de instalación de calentamiento, la temperatura ya no se puede mantener constante.

La Figura 5 muestra la regulación de instalación de calentamiento de los cabezales de impresión existentes como un diagrama de bloques. La propia instalación de calentamiento 501 está controlada por un controlador de potencia 503. Éste recibe sus señales de control de un regulador 504 que detecta la temperatura con un sensor 500 directamente en el módulo 400 y así realiza un circuito de control cerrado. Las pérdidas de calor debidas a la conducción de calor a las partes circundantes, la convección en la carcasa y las pérdidas de radiación de calor están marcadas con 502. Además, se desprende energía con las gotas de líquido calentadas 109 si la temperatura de las gotas es superior a la del líquido que se sigue. Todas las pérdidas deben compensarse mediante la instalación de calentamiento. La temperatura en el extremo inferior del módulo es relevante para la formación de gotas.

La figura 6 muestra la realización de un cabezal de impresión de acuerdo con la invención. En este caso, se agrega un flujo de calor masivo 404 a los tamaños mencionados anteriormente. En el procedimiento HSS descrito anteriormente, esto es mayor que las cantidades de calor emitidas. Solo la introducción de refrigeración adicional 600 puede permitir la regulación mediante el calentamiento dentro del cabezal de impresión. El sistema de refrigeración 600 puede incluir todas las realizaciones preferidas de acuerdo con la invención.

La forma de la disipación de calor mostrada en la figura 7 también está cubierta por 600. A este respecto básicamente hay dos posibilidades. Por un lado, se puede presionar fluido a presión frío a través del cabezal de impresión. Para ello, el módulo 400 o el tanque de almacenamiento 401 (figura 4) se somete a una sobrepresión 700. Se emite una gran cantidad de líquido y llega líquido más frío al módulo 400. En una realización preferida de la invención, el líquido llega al cabezal de impresión 100 o al módulo de impresión 400 desde un depósito fuera del espacio de construcción a temperatura ambiente a través de conductos aislados. Esta forma de refrigeración también puede tener lugar mediante la generación de gotas del cabezal de impresión. A este respecto, en el funcionamiento estándar, se aplica una presión negativa 702 en el tanque. La intensidad de esta forma de refrigeración debe determinarse a través de la regulación 504 de la instalación de calentamiento 501 del cabezal de impresión. Si la temperatura sale del intervalo de regulación hacia arriba, se requiere una refrigeración más intensivo. Este escenario se puede registrar mediante los tiempos de conmutación de la instalación de calentamiento 501.

La refrigeración del módulo 400 también puede realizarse a través de su carcasa. Con este fin, el aire comprimido 800 puede fluir contra la carcasa para compensar la absorción de calor 404 desde abajo. Las toberas de aire comprimido también se pueden disponer de tal manera que el flujo ascienda verticalmente sobre el módulo de presión. En ambas realizaciones de la invención, la placa de cubierta 402 (figura 4) debe sellar los módulos respecto al campo de la construcción de modo que no se arremolina material particulado.

En la figura 9 se muestra otra forma de realización preferida de la invención. En este caso, el módulo 400 emite el calor 404 que va a disiparse a un fluido mediante conducción de calor. Para este propósito, los bloques de contacto 900 están dispuestos en el módulo 400 y la placa de cubierta 402 de una manera que permite una buena transferencia de calor. Los bloques de contacto 900 presentan orificios 903 en los que puede fluir el líquido refrigerante 901. Las conexiones 902 conectan los bloques de contacto con un sistema de mangueras que sale del cabezal de impresión y del espacio de construcción caliente Las mangueras están realizadas aisladas. A continuación, el líquido refrigerante 901 se enfría pasiva o activamente, dependiendo del rendimiento térmico que se produce.

Un dispositivo igualmente preferido se muestra en la figura 10. En este caso, el exceso de calor 404 en el módulo 400 también se disipa a través de los bloques de contacto 1000. En este caso, sin embargo, estos están en contacto con elementos Peltier 1002 a través de conexiones de cobre masivas 1001. Estos bombean el calor al aplicarse una tensión a los contactos 1004, desde la carcasa de cabezal de impresión 412.

La evaporación de un líquido también se puede utilizar para la refrigeración. La figura 11 muestra tal disposición. El calor 404 en el módulo 400 se emite a la placa de cubierta 402 mediante conducción de calor. Sobre esta se repone continuamente un líquido 1102 que presenta un punto de evaporación adecuado. La energía es transportada por el vapor 1100 y se guía a través de un sistema para la descarga 1101 desde el cabezal de impresión para evitar una condensación dañina. Por ejemplo, si se selecciona agua como líquido, se pueden regular temperaturas alrededor de 100 ° C.

Una realización preferida de la invención se muestra en la figura 12 como diagrama de bloques. El cabezal de impresión 100 está separado del campo de construcción por un tabique 1200. Así, en la fase de sinterización, rebajado y revestimiento (Figuras 3, II, III, IV), el cabezal de impresión 100 puede enfriarse sin absorber más radiación del campo de construcción 111. También se reduce la convección. De la misma manera, un tabique 1201 adicional puede asegurar que no llegue más calor al cabezal 100 de impresión a través de la lámpara 200 todavía caliente mientras el cabezal 105 de impresión está funcionando.

La figura 13 muestra una vista lateral de una realización preferida de la invención. El tabique 1300 para el cabezal de impresión 100 está montado de forma giratoria. El cabezal de impresión 100 puede así empujarlo para abrirlo y llegar al campo de construcción 111. Solo se produce un intercambio de energía durante el trayecto. El tabique 1300 forma un espacio para el cabezal de impresión en el que se puede enfriar. El tabique 1301 también puede diseñarse para el elemento de recubrimiento 101 y la lámpara 200.

Los tabiques mostrados en la figura 13 también pueden diseñarse para ser activos, como se muestra en la figura 14. A este respecto pueden preverse un tabique 1400 en cada caso para el cabezal de impresión 100 y otro 1401 para el elemento de recubrimiento 101 y la lámpara 200. En comparación con el tabique montado de forma giratoria, existe la ventaja de restricciones menores en el movimiento de las unidades en el espacio de construcción 111. Además, los horarios de apertura también se pueden acortar. Los actuadores neumáticos o los husillos de accionamiento eléctrico, por ejemplo, son adecuados como accionamientos.

En la figura 15 se muestra un modo de construcción preferido de la partición. A este respecto se prescinde de partes móviles. Las toberas 1501, 1500, 1502 permiten que el aire a diferentes temperaturas fluya como una cortina en la dirección del campo de construcción 111. Cuando se establece un flujo laminar, las masas de aire 1503, 1505 y 1504 se mezclan solo ligeramente. La temperatura se puede controlar y también regular segmento a segmento utilizando unidades de calentamiento y refrigeración adecuadas.

De acuerdo con la invención, no solo es posible la refrigeración del cabezal de impresión 100 por partición o desde el interior, sino que el cabezal de impresión también se puede refrigerar desde el exterior. La figura 16 muestra tal realización. El cabezal de impresión 100 se lava a este respecto con aire de refrigeración 1601 y 1603. Este se extrae desde las toberas 1600 y 1602. El flujo de aire de refrigeración no debe interactuar con el material particulado. Por tanto, se prefiere especialmente combinar la refrigeración con una partición.

En la figura 17 se muestra otra forma de refrigeración del cabezal de impresión desde el exterior. A este respecto, el cabezal de impresión 100 se pone en contacto directo con un material disipador de calor. Esto puede ser, por ejemplo, un líquido que absorbe calor. Esto se puede combinar con un dispositivo de limpieza para el cabezal de impresión. De esta manera, un cilindro 1700 puede ponerse en contacto en sentido opuesto con el cabezal de impresión 100 que se mueve en la dirección 105. A este respecto, el cilindro, que se humedece mediante una ducha 1702 o un recipiente 1703 lleno de líquido, absorbe el calor del cabezal de impresión. Asimismo, se puede presionar un cuerpo 1701 con buena conductividad térmica sobre la placa de cubierta 102 del cabezal de impresión 100. Este cuerpo se refrigera a su vez de forma pasiva o activa, por ejemplo mediante un líquido refrigerante 1704.

El cabezal de impresión 100 no solo puede enfriarse en su posición de reposo sino también en su vía 105 en el borde del campo de construcción 111. Para este propósito, los bordes del campo de construcción 1800 deben ser más fríos que el campo de construcción. Esto se puede lograr porque los bordes 1800 del campo de construcción 111 están realizados como tuberías a través de las cuales fluye el aire de refrigeración 1801.

En las figuras 19 y 20 se muestra una realización particularmente preferida de la invención. La figura 19 muestra la realización de la lámpara 200 en una configuración esencialmente lineal. Se consigue así una iluminación homogénea del campo de construcción 111. A este respecto la influencia directa del cabezal de impresión se puede mantener lo más baja posible mediante el control. Dado que pueden surgir áreas más frías en el borde del campo de construcción debido a la circulación de aire a pesar de la misma potencia de radiación, pueden instalarse en este caso segmentos 2000 adicionalmente o puede usarse una lámpara con control de la potencia por segmentos.

La figura 19 también muestra un diagrama para un control particularmente preferido del movimiento de la lámpara de una lámpara configurada lineal. A este respecto, debido a la convección en el campo de construcción 111, tiene sentido irradiar los bordes más intensamente mediante una velocidad de desplazamiento más baja con potencia constante. También es posible adaptar la potencia. A este respecto la inercia de la lámpara pone límites al desplazamiento.

Lista de referencias

100 Cabezal de impresión

101 Elemento de recubrimiento

102 Plataforma de construcción

103 Cuerpo

104 Dispositivo

105 Guía del cabezal de impresión

106 Guía de elemento de revestimiento

107 Capas construidas

108 Dirección de la plataforma de construcción

109 Microgotas

110 Cilindro de material particulado

111 Espacio de construcción

112 Hendidura de elemento de revestimiento

113 Suministro de polvo

200 Lámpara de calor

400 Módulo de impresión

401 Tanque de almacenamiento

402 Placa de cubierta

403 Superficie calentada

404 Transferencia de calor

406 Válvula

407 Filtro

408 Fluido hidráulico

409 Válvula de presión negativa

410 Válvula de sobrepresión

411 Válvula de recarga

412 Carcasa del cabezal de impresión

413 Regulación de instalación de calentamiento

414 Electrónica de datos

415 Paso para electrónica de datos

416 Paso para regulación de instalación de calentamiento

417 Paso para conducto de presión negativa

418 Paso para conducto de sobrepresión

419 Paso para conducto de recarga

500 Sensor de temperatura

501 Instalación de calentamiento

502 Emisión de calor

503 Controlador de potencia

504 Regulador

600 Enfriamiento

700 Sobrepresión

701 Chorro de sobrepresión

702 Presión negativa

800 Flujo horizontal

801 Flujo vertical

802 Toberas de aire

900 Bloque de contacto

901 Líquido refrigerante

902 Conducto de refrigeración

903 Tubo de refrigeración

1000 Bloque de contacto

1001 Conductores de calor masivos

1002 Elemento Peltier

1003 Calor bombeado

1004 Contacto eléctrico

1100 Vapor

1102 Líquido

1101 Guía de vapor

1200 Mamparo del cabezal de impresión

1201 Mamparo elemento de recubrimiento

1300 Mamparo de cabezal de impresión giratorio

1301 Mamparo de elemento de recubrimiento giratorio

1400 Mamparo del cabezal de impresión móvil

1401 Mamparo de elemento de recubrimiento móvil

1500 Toberas de aire para el flujo del espacio de construcción 1501 Tobera de aire para el flujo del cabezal de impresión

1502 Tobera de aire para flujo de elemento de recubrimiento 1503 Flujo del cabezal de impresión

1504 Flujo de elemento de recubrimiento

1505 Flujo del espacio de construcción

1800 Borde del campo de construcción

1801 Aire de refrigeración para el borde de campo de construcción 2000 Lámparas adicionales

Claims

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo para producir modelos tridimensionales mediante tecnología de aplicación de capas, siendo el dispositivo adecuado para aplicar material de construcción particulado a un campo de construcción, a continuación aplicar un agente moderador selectivamente al material de construcción a través de un cabezal de impresión de inyección de tinta y consolidar las áreas impresas suministrando energía IR, caracterizado por que el cabezal de impresión (100) está protegido del calentamiento excesivo por refrigeración activa y / o pasiva (600) y por que el dispositivo (104) presenta una regulación de temperatura que, en conjunto con un sensor de temperatura (500), regula las posibilidades de calentamiento en el espacio de construcción (111), en donde el intervalo de temperatura de la atmósfera del espacio de construcción está regulado de 60 ° C a 120 ° C y el gradiente de temperatura a este respecto en el campo de construcción no excede los 10 ° C.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que el cabezal de impresión (100) dispone de un sensor de temperatura (500), una regulación de temperatura y medios internos para el refrigeración (600) y para el calentamiento (501).

3. Dispositivo según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por que la refrigeración es el medio de impresión que va a imprimirse o

por que la refrigeración (600) es aire de refrigeración que circunda las partes sensibles dentro del cabezal de impresión (100) o

por que la refrigeración (600) del cabezal de impresión (100) es un medio líquido adicional o por que la refrigeración son elementos Peltier.

4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado por que un evaporador está dispuesto en el cabezal de impresión (100) para la refrigeración (600).

5. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que el cabezal de impresión (100) presenta una partición que lo protege de la energía residual del espacio de construcción (111) y el material particulado y el suministro de energía activa en el campo de la construcción.

6. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado

por que el cabezal de impresión (100) se puede mover detrás de una pared flexible o sólida en el espacio de construcción (111).

7. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que están instalados sensores en el cabezal de impresión (100) o en la pared.

8. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado

por que la partición es una pared móvil y / o una cortina de aire.

9. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que el cabezal de impresión (100) presenta una refrigeración externa (600).