KR20230158026A - 3d 프린터용 프린트 헤드 및 프린트 헤드의 작동 방법 - Google Patents

3d 프린터용 프린트 헤드 및 프린트 헤드의 작동 방법 Download PDF

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KR20230158026A
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헨드릭 야늘레
크리스 니켈스
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 3D 프린터용 프린트 헤드(100)에 관한 것이고, 이러한 프린트 헤드는, 프린트 헤드(100)의 하우징(1) 내에 배열된, 피스톤(3)의 트리거링을 위한 액추에이터 장치(110); 인쇄 가능한 재료(10)를 위한 공급 디바이스(2); 하우징(1) 및 공급 디바이스(2)에 배열된, 냉각 장치(50)를 구비한 플랜지(5); 고체상(10)으로부터 플라스틱상(11)을 거쳐 액체상(12)으로의 재료(10)의 변환을 위한 가열 요소(61, 63)들을 구비한 노즐 헤드(6); 및 노즐 헤드(6)로부터의 재료(10)의 액체상(12)의 인출을 위한 노즐(8);을 포함한다. 본 발명에 따라, 별도의 피스톤 부싱(4)의 하부 부분 영역(42)에는 신장편(7)이 배열되고, 신장편(7)은 피스톤(3)의 피스톤 니들(32)의 수용을 위한 중심 연장 보어(70)를 포함하고, 신장편(7)은 동심 배열된 개구(71)들을 포함하고, 이러한 개구들은 피스톤 부싱(4) 내에 배열된 공동(40)과 노즐 헤드(6)의 하부 부분(62) 내에 배열된 용융 공간(81) 사이의 유체 연결을 형성한다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 프린트 헤드(100)의 작동 방법(200)에 관한 것이다.

Description

3D 프린터용 프린트 헤드 및 프린트 헤드의 작동 방법
본 발명은, 3D 프린터용 프린트 헤드 및 프린트 헤드의 작동 방법에 관한 것이다.
자신의 점성이 변화하는 재료를 위한 3D 프린터는 이러한 재료의 고체상을 원재료로서 얻고, 그로부터 액체상을 생성하고, 생성할 대상물의 일부인 지점들에서 이러한 액체상을 선택적으로 제공한다. 이러한 3D 프린터는 원재료가 프린팅을 위해 준비되는 프린트 헤드를 포함한다. 또한, 대상물이 생성될 작업면과 프린트 헤드 사이의 상대 이동을 생성하기 위한 수단들이 제공된다. 이 경우, 프린트 헤드만이 이동되거나 작업면만이 이동될 수 있으며, 또는 프린트 헤드뿐만 아니라 작업면도 이동될 수도 있다.
프린트 헤드는 그로부터 액체 재료가 배출되는 제1 작동 상태와, 그로부터 액체 재료가 배출되지 않는 제2 작동 상태를 갖는다. 제2 작동 상태는 예를 들어, 작업면 상의 다른 위치가 접근되어야 하고, 그 위치로 가는 도중에 재료가 인출되지 않아야하는 경우에 취해진다. 예를 들어, 고체 원재료의 추진부가 연결 또는 차단됨으로써, 프린트 헤드의 2가지 작동 상태들 사이에서 전환이 이루어질 수 있다.
원재료로 이루어진 필라멘트가 전기 가열식 압출기 노즐 내에서 용융되고, 플랫폼 상에 층층이 제공되는 "fused deposition modeling(융합 증착 모델링)"(FDM)이 가장 널리 보급되어 있다. 이러한 유형의 필라멘트의 형태에서 원재료는 매우 비싸다.
US 2016/082 627 A1호에는, 원재료를 과립 형태로 공급하고, 원재료가 가소화된 형태로 배출되는 가열 구역으로 스크류 컨베이어에 의해 이송하는 것이 제안된다. 한편으로는 과립이 훨씬 더 저렴하고, 다른 한편으로는 다양한 열가소성 재료들로 이루어진 혼합물들이 이러한 방식으로 간단하게 제조될 수 있다.
또한, DE 102016222306 A1호로부터는 프린트 헤드가 공지되어 있고, 이러한 프린트 헤드 내에서는 과립이 피스톤 및 가열된 경로를 통해 가소화된다. 피스톤이 과립을 가압할 때, 이러한 과립은 압축되고, 프린트 헤드의 하부 영역 내의 가소화 구역으로 이송된다. 이 경우, 프린트 헤드의 실린더 벽부 및 피스톤에 강한 응력을 가하고, 프린트 헤드 하우징의 실린더 벽부에 마모 증가를 야기할 수 있는 힘이 발생한다. 또한, 열 전도 구조를 갖는 복잡한 용융 기하 구조가 공지되어 있으며, 이러한 열 전도 구조는 가열 요소의 가열력을 가소화된 재료 내에 도입함으로써, 이러한 가소화된 재료는 액체상의 재료가 될 수 있다.
본 발명의 과제는, 높은 동역학을 가능하게 하고, 안정적인 인쇄 프로세스를 가능하게 하는 콤팩트한 3D 프린터용 프린트 헤드와, 프린트 헤드의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 범주 내에서, 3D 프린터용 프린트 헤드가 개발되었다. 또한, 프린트 헤드의 작동 방법이 개발되었다.
이러한 3D 프린터용 프린트 헤드는, 프린트 헤드의 하우징 내에 배열된, 피스톤의 트리거링을 위한 액추에이터 장치; 인쇄 가능한 재료를 위한 공급 디바이스; 하우징 및 공급 디바이스에 배열된, 냉각 장치를 구비한 플랜지; 고체상으로부터 플라스틱상을 거쳐 액체상으로의 재료의 변환을 위한 가열 요소들을 구비한 노즐 헤드; 및 노즐 헤드로부터의 재료의 액체상의 인출을 위한 노즐;을 포함한다.
본 발명에 따라, 별도의 피스톤 부싱의 하부 부분 영역에는 신장편이 배열되고, 이러한 신장편은 피스톤의 피스톤 니들의 수용을 위한 중심 연장 보어를 포함하고, 신장편은 동심 배열된 개구들을 포함하고, 이러한 개구들은 피스톤 부싱 내에 배열된 공동과 노즐 헤드의 하부 부분 내에 배열된 용융 공간 사이의 유체 연결을 형성한다.
피스톤의 트리거링을 위한 액추에이터 장치는, 예를 들어 기계식 변속기를 구비한 전기 모터 또는 유압식 압력원을 구비한 유압식 구동부일 수 있다.
액추에이터 장치로서의 전기 모터는 유압식 구동부에 비해 더 낮은 중량을 갖고, 이를 통해 바람직하게는 전체 프린터 및 인쇄 프로세스의 높은 동역학을 제공하는데, 이는 더 적은 질량이 가속되면 되기 때문이다.
바람직하게, 유압식 구동부는 피스톤의 트리거링 시의 큰 힘을 달성한다.
인쇄 가능한 재료를 위한 공급 디바이스는 특히, 과립으로서 존재하는 재료 또는 원재료를 위한 공급부로서 제공될 수 있다. 이러한 원재료는 특히 열가소성 재료일 수 있다.
원재료로서 과립을 사용함으로써, 열가소성 재료로 이루어진 필라멘트들을 사용하는 프린트 헤드들에 비해, 특히 프린터의 원재료들에 대한 비용면에서 특별한 장점들이 달성된다는 것이 인식되었다.
스크류 컨베이어에 의해 과립을 이송하는 프린트 헤드와 비교하여, 본 발명에 따른 프린트 헤드는 더욱 컴팩트하게 형성될 수 있다. 또한 이로 인하여, 프린트 헤드는 더욱 가볍고 더욱 간단하게 이동 가능하다. 이는 특히, 프린트 헤드가 매우 신속하게, 특히 100mm/s 이상의 속도로 이동되어야 하는 경우에 바람직하다.
플랜지는 냉각 장치를 포함하기 때문에, 공급 장치의 영역 내에서 최적화된 열 관리가 달성되므로, 바람직하게는 재료 또는 과립이 피스톤에 달라붙는 일이 방지된다. 또한, 노즐 헤드는 고체상의 재료, 특히 과립을 액체상으로 변환하기 위한 가열 요소들을 포함한다. 노즐 헤드 내의 가열 요소들은 바람직하게는, 용융될 재료 내로의 가열력의 원하는 도입을 제공한다. 이어서, 액체상 또는 용융물은 피스톤 이동을 통하여 노즐 헤드의 노즐을 통해 인출 가능하다.
피스톤의 안내를 위한 별도의 피스톤 부싱은, 피스톤이 직접적으로 피스톤 부싱 내에서 안내되고 더 이상 프린트 헤드의 실린더 또는 하우징 내에서 안내되지는 않는 것을 가능하게 한다. 이를 통해 바람직하게는, 가능한 마모가 더 이상 직접적으로 하우징 또는 실린더의 내부 벽부에서 발생하지 않고 피스톤 부싱 내부에서 발생하는 것이 달성된다. 별도 부품으로서의 피스톤 부싱은, 필요 시에 교체 가능하다는 장점을 제공한다. 또한, 서로 매칭되는 피스톤과 피스톤 부싱이, 예를 들어 플랜지 및 노즐 헤드에서의 추가적인 구조적 변화없이 상이한 직경들에서 사용될 수 있는 가능성이 제공된다.
또한, 피스톤 부싱은 플랜지 내로 돌출된 상부 부분 영역과, 노즐 헤드 내로 돌출된 하부 부분 영역을 포함한다. 이를 통해, 이러한 상부 부분 영역은 플랜지의 냉각 장치의 냉각 구역의 작용 영역 내에 배열되고, 이러한 하부 부분 영역은 노즐 헤드의 가열 구역의 작용 영역 내에 배열되기 때문에, 바람직하게는 냉각 구역 내부에서 이루어지는 재료로부터의 효과적인 에너지 제거 또는 가열 구역 내부에서 이루어지는 재료 내로의 효과적인 에너지 공급이 달성된다.
피스톤 부싱의 상부 부분 영역 내에는 공급 장치로부터 피스톤 부싱 내로의 재료 공급을 가능하게 하는 개구 단면 또는 개구가 배열된다. 개구의 하부 영역에는, 피스톤 부싱의 내부면에 대해 둔각으로 형성되는 절개부가 배열된다. 절개부의 영역은 경화되어 있거나, 대안적으로는 경화되어 있는 별도의 삽입편으로서 형성된다. 피스톤을 통한 개구의 폐쇄 시에는 재료 또는 과립이 피스톤에 의하여 절개부에서 전단 가공되기 때문에, 피스톤 부싱의 이러한 부분에 강한 기계적 부하가 작용한다. 별도의 피스톤 부싱 및 절개부의 경화된 영역을 통해서는 바람직하게 더욱 긴 유효 수명과, 결함 부품의 더욱 신속한 교체가 달성된다.
또한, 피스톤 부싱은 상부 부분 영역과 하부 부분 영역 사이에 정지부를 포함하고, 이러한 정지부를 통해 플랜지와 노즐 헤드는 서로 분리된다. 이에 따라 피스톤 부싱과, 특히 정지부는 바람직하게는, 냉각된 플랜지를 가열된 노즐 헤드로부터 분리시킴으로써, 이들이 서로 접촉하지 않도록 한다.
피스톤은 액추에이터 장치에 연결하기 위한 제1 피스톤 부분과, 제1 피스톤 부분에 연결하기 위한 그리고 피스톤 니들을 수용하기 위한 피스톤 헤드를 포함한다. 제1 피스톤 부분은 바람직하게는 알루미늄 중공 피스톤으로서 형성되기 때문에, 냉각제가 제1 피스톤 부분을 통해 안내될 수 있고, 이를 통해 바람직한 방식으로 피스톤 냉각이 달성된다. 피스톤 헤드는 노즐을 향한 측면에 하부 측면을 포함하고, 피스톤 니들은 하부 측면의 중앙으로부터 돌출된다. 피스톤 헤드의 하부 측면의 면적에서 피스톤 니들의 가상 면적을 뺀 면적은 재료에 대한 압력을 생성하기 위한 피스톤 면적을 형성한다. 피스톤 헤드의 하부 측면은 피스톤 냉각부를 통해 함께 냉각되고, 이를 통해 국소적으로 피스톤 바닥부에서의 가소성 재료 또는 용융물의 점성을 감소시킨다. 이를 통해, 액체 용융물이 구동 장치의 방향으로 유입될 수 있는 것이 방지되기 때문에, 바람직한 방식으로 피스톤 부싱 내의 피스톤의 끼임뿐만 아니라, 구동 장치 내로의 용융물의 침투도 방지된다. 또한, 재료는 후퇴 시에 더욱 간단하게 피스톤 헤드의 하부 측면 또는 피스톤 바닥부로부터 분리되므로, 피스톤의 출발점 또는 시작점의 도달 시에, 잔여 재료가 피스톤 바닥부에 고착되는 일 없이 고체상의 재료 또는 과립의 간단한 재충전이 가능하다.
피스톤 헤드의 하부 측면 또는 피스톤 바닥부에는 바람직하게 온도 센서가 장착된다. 온도 센서의 이러한 배열로 인해서는, 피스톤 위치에 따른 프린트 헤드의 열 관리가 가능해짐으로써, 용융물이 피스톤 헤드의 하부 측면과 접촉하는 일없이 재료의 더욱 신속한 가열이 달성된다. 이를 통해 바람직한 방식으로, 프린트 헤드의 충전 과정의 가속화가 달성될 수 있다.
피스톤 헤드는 원통형 부품으로서 형성되고, 바람직하게는 내열성 재료로 제조된다. 제1 피스톤 부분은 알루미늄으로 형성되고 피스톤 헤드는 예를 들어 강철로 형성되는 조합은, 피스톤이 기계적 응력의 수용을 위한 상부 탄성 영역과, 가열된 재료의 영역 내의 하부 내열 영역을 포함하기 때문에 바람직한 것으로 입증되었다.
피스톤 니들은 피스톤 위치에 따라 신장편의 보어 내로 부분적으로만 돌출하거나 완전히 돌출하기 때문에, 피스톤 니들은 신장편의 중심 보어 내에서 바람직하게 안내된다.
공동은 피스톤 부싱 내부에 배열되고, 피스톤 부싱의 내부 측면, 피스톤 니들의 외부 측면, 신장편의 상부 측면 및 피스톤의 하부 측면으로 형성된 외부 면적을 갖는 체적을 통해 형성된다.
공동의 내부에서 재료 또는 과립은 피스톤 헤드의 하부 측면 또는 피스톤 면적에 걸친 피스톤의 이동을 통해 압축된다. 재료의 압축 동안 프린트 헤드의 열 관리는, 공동의 내부에 재료의 액체상 또는 용융물이 형성되지 않고, 재료가 플라스틱상으로 형성되는 방식으로 설정된다. 이를 통해 바람직하게는, 가소화된 재료가 피스톤의 하부 측면에 점착되지 않는 것이 달성된다. 그러나, 압축 동안에는 용융 공간 내의 액체상 또는 용융물의 일부가, 용융 공간 내로 침투하는 피스톤 니들을 통해, 신장편의 동심 배열된 개구들을 통하여 용융 공간으로부터 나와 피스톤 부싱의 공동 내로 가압된다. 이 경우, 용융물의 일부가 플라스틱상의 일부와 혼합된다. 이 경우, 용융물은 에너지를 플라스틱상 내로 방출함으로써, 바람직하게는 더욱 균일한 재료가 생성된다. 이에 따라, 신장편은 혼합기 또는 정적 혼합기를 형성하는데, 이는 피스톤 이동 이외에 바람직하게는 액체상과 플라스틱상의 혼합을 위한 이동 가능한 추가 부분들이 필요하지 않기 때문이다. 이에 따라, 이러한 신장편의 구성은 바람직하게는, 재료 또는 용융물과 가소화된 재료의 개선된 혼합을 유도하는 블렌딩 효과를 제공한다.
신장편은 가열 요소의 가열 에너지를 노즐 헤드로부터 용융물 내로 뿐만 아니라 피스톤 니들 내로도 안내하는데, 이는 바람직하게는 용융물 가열 시의 개선된 에너지 관리를 제공한다.
신장편은 제1 실시예에서 별도의 부품으로서 형성될 수 있거나, 제2 실시예에서 피스톤 부싱과 일체형으로 형성될 수 있다.
본원의 방법의 바람직한 일 개선예에서, 재료의 액체상을 제조하기 위한 압축 프로세스 동안 노즐은 폐쇄되고, 피스톤 니들은 용융 공간 내에 잠겨짐으로써, 용융 공간의 상부 영역으로부터의 액체상의 일부가 신장편의 개구들을 통하여 다시 피스톤 부싱의 공동 내로 변위되기 때문에, 액체상의 변위된 부분이 공동(40) 내의 플라스틱상과 혼합되는 방식으로 형성된다.
이러한 혼합 동안, 용융물은 에너지를 플라스틱상 내로 방출하기 때문에, 바람직하게는 더욱 균일한 재료가 생성된다. 혼합은 프린트 헤드의 혼합 구역 내에서 실행되고, 혼합 구역은 혼합 구역 내에 배열된 구성 요소들과 함께 압축 프로세스 동안 혼합기를 형성하는데, 이는 압축 시의 피스톤 이동 이외에 바람직하게는 액체상과 플라스틱상의 혼합을 위한 이동 가능한 추가 부분들이 필요하지 않기 때문이다. 추후에 설명되는 유지 과정에서 피스톤은 유지 위치에서 정지하고, 상술한 혼합은 구성 요소들의 이동없이 실행된다. 따라서, 압축 프로세스의 유지 프로세스 동안, 혼합 구역은 정적 혼합기라고도 불릴 수 있다.
본 발명의 일 개선예에서, 프린트 헤드는, 피스톤 부싱의 상부 부분 영역으로부터 시작하여 신장편을 거쳐 노즐에 이르기까지 상이한 상태 구역들을 포함하고, 이러한 상태 구역들은 온도(TS)에 따른 재료의 응집 상태를 나타낸다. 이 경우, 상태 구역들에 걸친 재료의 응집 상태는 고체상으로부터 플라스틱상을 거쳐 액체상으로 변화 가능하다.
프린트 헤드의 상태 구역들은 고체상의 재료를 갖는 냉각 구역과, 플라스틱상의 재료를 갖는 가소화 구역과, 각각 액체상의 재료를 갖는 용융 구역 및 프로세스 구역과, 그리고 플라스틱상 및 액체상의 재료를 갖는 혼합 구역을 포함한다.
또한, 플랜지 내의 냉각 장치와, 피스톤에 통합된 피스톤 냉각부는, 가소화 구역 내에 있는 재료의 플라스틱상의 온도(TS)를, 재료가 가소화되기 시작하고 액체상으로 전이되기 시작할 유리 전이 온도(Tg) 미만으로 유지하기 위해 제공된다.
이는, 피스톤 바닥부가 오로지 재료의 고체상과만 접촉하고, 완전히 가소화된 상과는 접촉하지 않는다는 것과 동일한 의미이다. 완전히 가소화된 상은 표면 접착의 경향이 높은, 점액성의 끈적한 농도를 갖는다. 피스톤이 이러한 상과 접촉할 경우, 이에 달라붙을 수 있기 때문에, 예를 들어 피스톤의 후퇴 시에 신선한 과립이 추가로 흘러 들어가는 것이 방해된다. 이러한 효과는 바람직하게 방지된다.
일 개선예에서, 노즐 헤드는 2개의 가열 구역들을 포함한다.
제1 가열 구역 내에는 가소화 구역의 부분 영역, 혼합 구역 및 용융 구역의 부분 영역이 배열되고, 상부 노즐 헤드 내의 제1 가열 요소는, 가열 에너지가 제1 가열 요소로부터 피스톤 부싱의 하부 부분 영역, 신장편 및 상부 노즐 헤드의 부분 섹션을 거쳐 재료 내로 도입 가능한 방식으로 배열된다.
일 개선예에서, 가열 에너지는 제1 가열 요소로부터 신장편을 거쳐 보어 내부의 피스톤 니들 내로 도입 가능하다.
보어 내부의 피스톤 니들의 접촉은 피스톤 니들의 가열을 추가적으로 제공하기 때문에, 필요한 프로세스 온도로의 용융 온도의 가속이 바람직하게 달성된다.
제2 가열 구역 내에는 용융 구역의 부분 영역 및 프로세스 구역이 배열되고, 하부 노즐 헤드 내의 제2 가열 요소는, 가열 에너지가 제2 가열 요소로부터 하부 노즐 헤드를 거쳐 재료의 액체상 내로 도입 가능한 방식으로 배열된다.
노즐 헤드 내에서의 이러한 2개의 가열 구역들의 배열은 프린트 헤드의 더욱 효과적인 열 관리를 제공하는데, 이는 재료가 액체상으로 전이되는 일없이 제1 가열 구역의 가열 에너지가 재료의 바람직한 사전 가소화를 제공하기 때문이다. 이를 통해 바람직하게는, 피스톤이 압축 시에 달라붙지 않고 프린트 헤드가 완벽하게 기능하는 것이 달성된다. 이러한 효과는 플랜지 내의 냉각 장치와의 상호 작용으로서 최적화된다. 또한 플라스틱상의 재료는, 액추에이터 장치가 피스톤의 전진 이동 시에 더욱 적은 힘소모를 필요로 하는 방식으로 사전 가소화되기 때문에, 바람직하게는 피스톤의 전진 이동을 위해 더욱 작은 액추에이터들이 사용될 수 있다. 이는 설비 비용을 감소시키고, 프린트 헤드의 개선된 동역학을 유도하는데, 이는 프린트 헤드의 중량이 감소하기 때문이다. 이를 통해, 프린트 헤드는 부품의 생성을 위한 소위 궤적 개회로 제어 동안 더욱 양호하게 가속 및 감속될 수 있다.
제2 가열 구역 내에는 용융물이 생성되고, 도입된 가열 에너지는 전체 용융 공간에 걸친 비교적 일정한 용융 온도를 제공한다. 용융 온도는 재료가 너무 심하게 가열되지는 않는 방식으로 제2 가열 구역 내부에서 폐회로 제어될 수 있다. 이를 통해서는, 너무 높은 열적 부하를 통해 예를 들어 분해산물, 무엇보다도 시스템 내에서 우세한 압력을 통하여 재료의 추가 분해를 가속화하고, 직접적으로 이러한 재료의 품질에 부정적인 영향을 미치기도 하는 가스들이 생성되는 것이 바람직하게 방지될 수 있다.
프린트 헤드의 상태 구역들과 관련하여, 프로세스 구역 내의 재료의 액체상을 제조하기 위한 압축 프로세스 동안, 노즐은 폐쇄되고, 피스톤 니들은 용융 공간 내에 잠겨짐으로써, 용융 공간의 상부 영역으로부터의 액체상의 부분들이 신장편의 개구들을 통하여 용융 구역으로부터 다시 혼합 구역 내로 변위되기 때문에, 혼합 구역 내에서 용융 구역으로부터의 액체상의 부분들이 가소화 구역으로부터의 플라스틱상과 혼합되는 방식으로 형성된다.
이러한 혼합 동안, 용융물은 에너지를 플라스틱상 내로 방출하기 때문에, 바람직하게는 더욱 균일한 재료가 생성된다. 혼합 구역은 혼합 구역 내에 배열된 구성 요소들과 함께 압축 프로세스 동안 혼합기 또는 정적 혼합기를 형성하는데, 이는 피스톤 이동 이외에 바람직하게는 액체상과 플라스틱상의 혼합을 위한 이동 가능한 추가 부분들이 필요하지 않기 때문이다.
용융 공간 내에는 압력(pL)에 대한 압력 센서 및/또는 액체상의 온도(TL)에 대한 온도 센서가 배열된다.
압력(pL)의 측정은 배출 개구로부터의 용융물의 인출이나 배출 또는 마찬가지로 질량 흐름을 결정하는 주요 매개변수이다. 온도(TL)의 추가 측정은, 질량 흐름(Q)의 결정 시에 재료의 점성의 온도 의존성도 고려할 수 있도록 한다. 피스톤 전진 이동을 통해서는, 계량 공급될 양이 정확하게 폐회로 제어될 수 있다. 제조된 부품 또는 대상물의 품질을 위해서는, 특히 일정하고 정확한 폐회로 제어 형태의 온도(TL)의 컨트롤이 심지어 재료의 열적 변성의 방지를 위해 더욱 중요하다.
또한, 액추에이터 장치 및/또는 피스톤에는, 피스톤의 위치(s)에 대한 경로 측정 시스템 및/또는 피스톤에 의해 재료에 가해지는 힘(F)에 대한 또는 피스톤에 가해지는 유압(pH)에 대한 센서가 제공된다.
피스톤의 전진 이동은 배출될 재료의 양에 대한 척도이다. 이러한 양은 특히 경로 측정 시스템에 의해 컨트롤될 수 있다. 또한, 힘(F)은 재료 내의 압력과 직접적인 상관 관계가 있다.
피스톤에는, 특히 피스톤의 피스톤 헤드의 하부 측면에는 재료의 플라스틱상의 온도(TK)를 위한 온도 센서가 배열될 수 있다.
온도 센서의 이러한 배열로 인해서는, 피스톤 위치에 따른 프린트 헤드의 열 관리가 가능해짐으로써, 용융물이 피스톤 헤드의 하부 측면과 접촉하는 일없이 재료의 더욱 신속한 가열이 달성된다. 이를 통해 바람직한 방식으로, 프린트 헤드의 충전 과정의 가속화 또는 충전 과정의 필요 시간의 감소가 달성될 수 있다.
또한, 개회로- 및 폐회로 제어 유닛은 충전 및 인쇄를 위한 실행될 작동 전략에 상응하게 피스톤을 이동시키기 위한 액추에이터 장치의 능동형 폐회로 제어를 위하여 그리고 노즐 헤드의 가열 요소들의 온도의 능동형 폐회로 제어를 위하여 제공될 수 있다.
또한, 센서들의 측정값들을 평가하도록, 그리고 결과들을 액추에이터 장치의 능동형 폐회로 제어를 위한 그리고 가열 요소들의 능동형 폐회로 제어를 위한 개회로- 및 폐회로 제어 유닛에 전달하도록 형성된 평가 유닛이 제공될 수 있다.
각각의 작동 상태들에 따른 센서값들의 검출 및 평가를 통하여, 프린트 헤드의 기능 성능이 검사될 수 있기 때문에, 바람직하게는 프로세스 내의 에러들 또는 편차들이 조기에 표시될 수 있다. 또한, 센서값들의 검출을 통해 규정된 목표값들이 트리거링될 수 있다. 보정 계수들이 계산되고, 개회로- 및 폐회로 제어 유닛으로 전달되는 것도 가능하다. 이러한 보정 계수들은 예를 들어, 노즐로부터의 용융물의 원하는 그리고 일정한 인출을 바람직하게 달성하기 위해 설정값들에 가산될 수 있다.
가열 요소들의 능동형 폐회로 제어는 온도의 동적 폐회로 제어를 가능하게 하고, 이러한 동적 폐회로 제어는 바람직하게는 가열뿐만 아니라 냉각에도 영향을 미친다. 예를 들어, 제1 가열 요소의 가열 에너지가 개회로- 및 폐회로 제어 유닛을 통해 감소되는 경우, 플랜지 내의 냉각이 계속 진행되고, 이러한 냉각은 재료의 플라스틱상으로부터 에너지를 빼앗기 때문에, 이러한 플라스틱상은 급격하게 냉각된다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 프린트 헤드의 작동 방법에 관한 것이고, 이러한 방법은 하기 단계들, 즉
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공급 디바이스를 통하여, 인쇄 가능한 재료에 의해 공동을 충전하는 단계,
시작 위치로부터 시작하여 노즐의 방향으로 피스톤을 이동시킴으로써 피스톤 부싱의 개구 단면을 폐쇄하는 단계,
재료를 압축하는 단계,
재료를 고체상으로부터 액체상으로 변환하는 단계,
피스톤의 종료 위치에 도달될 때까지 또는 부품의 완성에 이르기까지 3차원 부품의 인쇄를 위한 노즐로부터 재료의 액체상을 인출하는 단계,
피스톤을 시작 위치로 복귀 이동시키는 단계, 그리고
방법의 종료에 이르기까지 "충전 단계" 내지 "액체상의 인출 단계"를 반복하는 단계를 포함한다.
대부분의 경우, 압축 및 변환의 프로세스들은 동시에 발생하는데, 이는 이러한 2개의 프로세스들 동안 열 에너지가 2개의 가열 구역들을 거쳐 프린트 헤드 내로 도입되기 때문이다.
또한, 적어도 폐쇄 단계, 압축 단계, 변환 단계 및 인출 단계는 개회로- 및 폐회로 제어 유닛을 통한 액추에이터 장치의 능동형 폐회로 제어를 통해 실행될 수 있고, 센서들의 측정값들로부터의 평가 유닛의 결과들은 개회로- 및 폐회로 제어 유닛으로 전달된다.
프린트 헤드의 작동을 위한 본 발명에 따른 방법의 일 개선예에서, 압축 프로세스는 하기 단계들, 즉
피스톤의 전진 이동을 통해 재료를 사전 압축하는 단계;
노즐을 폐쇄하는 단계;
피스톤의 전진 이동을 통해 재료를 압축하는 단계; 및
피스톤을 유지 위치로 유지하는 단계;를 포함한다.
사전 압축 단계는 액추에이터 장치를 통한 피스톤의 힘-, 또는 압력 개회로 제어식 트리거링을 통해 실행되고, 피스톤 바닥부의 목표 위치는 냉각 구역으로부터 시작하여 가소화 구역의 첫번째 1/3 위치에 위치한다. 과립은 가소화 구역 내에서 피스톤의 전진 이동을 통해 압축되고, 이와 동시에 공동과 노즐 사이의 용융 구역 내에는 용융물이 위치한다. 이를 통해, 가소화된 과립은 혼합 구역 내에서 용융물 내로 가압된다.
노즐 방향으로의 피스톤과, 마찬가지로 피스톤 니들의 하강을 통해 이미 용융물이 노즐로부터 배출됨으로써, 여전히 존재할 수도 있는 공기 또는 봉입 공기가 노즐 헤드로부터 나오도록 변위되는 것이 바람직하게 달성된다. 이를 통해, 노즐은 비워진다.
사전 압축 단계의 목표 위치의 도달 이후, 프린트 헤드의 노즐은 폐쇄된다.
재료의 압축을 위해, 피스톤은, 규정된 피크 압력이 달성되고 이에 따라 피크 압력 위치가 도달될 때까지 액추에이터 장치를 통해 압력 개회로 제어식으로 전진 이동된다. 이 경우 본원의 방법의 일 개선예에서, 프린트 헤드의 작동을 위하여 압축 단계 동안, 노즐은 폐쇄되고, 피스톤 니들은 용융 공간 내에 잠겨짐으로써, 용융 공간의 상부 영역으로부터의 액체상의 일부가 신장편의 개구들을 통하여 용융 구역으로부터 다시 혼합 구역 내로 변위되기 때문에, 혼합 구역 내에서 액체상의 부분이 가소화 구역으로부터의 플라스틱상과 혼합되는 방식으로 형성된다.
이어서, 소위 피크 압력 위치는 재료에 따른 사전 규정된 기간 동안 유지되고, 따라서 이러한 피크 압력 위치는 프린트 헤드의 유지 위치이기도 하다.
본원의 방법의 일 개선예에서, 피스톤이 유지 위치에서 유지되는 단계 동안, 노즐은 폐쇄되고, 피스톤 니들은 용융 공간 내에 잠겨짐으로써, 용융 공간의 상부 영역으로부터의 액체상의 일부가 신장편의 개구들을 통하여 용융 구역으로부터 다시 혼합 구역 내로 변위되기 때문에, 혼합 구역 내에서 액체상의 부분이 가소화 구역으로부터의 플라스틱상과 혼합되는 방식으로 형성된다.
유지 과정을 통해서는 잔류 공기가 변위되고, 용융물이 혼합 구역(C) 내에서 균질화된다. 이를 통해 바람직하게는, 더욱 양호한 에너지 흐름이 달성되고, 더욱 균질한 재료가 생성된다. 역류하는 용융물은 가소성을 갖고, 신장편 내로 이동된 과립부들은 용융물 형태가 된다. 이를 통해, 재료의 혼합이 발생한다.
또한, 본원에 설명된 유지 과정은 바람직하게는 프린트 헤드의 시스템 점검을 위해 그리고 분석을 위해 사용되는데, 그 이유는 하기 효과들이 압력의 압력 측정 시에 나타날 수 있기 때문이다. 용융물 내의 압력의 압력 상승은, 예를 들어 용융물의 온도가 너무 높기 때문에 용융물이 가스를 방출한다는 것을 의미할 것이다. 너무 높은 용융 온도들은, 공기 플라즈마가 생성될 수 있기 때문에 바람직하지 않은데, 이는 화학적 분해를 야기할 수도 있다.
용융물 압력의 강한 압력 강하는 예를 들어, 프린트 헤드의 시스템이 누설되고 있거나, 시스템 내의 공기가 여전히 너무 많았음을 의미할 수 있을 것이다. 이러한 효과는, 예를 들어 프린트 헤드의 온도 관리가 최적으로 설정되지 않았기 때문에 공동 내에 냉각된 재료가 너무 많이 존재했던 경우에 발생할 수 있을 것이다.
본원의 방법은 바람직하게는 첫번째 액적에서부터 동일하게 유지되는 일정한 궤적 두께의 달성을 가능하게 한다.
이러한 평가 유닛은, 개회로- 및 폐회로 제어 유닛과는 별도로 형성될 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 개회로- 및 폐회로 제어 유닛에 통합될 수도 있다.
본 발명을 개선시키는 다른 수단들이 하기에 본 발명의 바람직한 실시예들의 설명과 함께 도면들에 의해 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 프린트 헤드를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 프린트 헤드의 일부를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 프린트 헤드를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 프린트 헤드의 작동을 위한 본 발명에 따른 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 프린트 헤드의 일부를 압력 진행 추이와 함께 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 프린트 헤드의 피스톤의 다양한 위치들을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 프린트 헤드의 작동을 위한 본 발명에 따른 방법의 압축 프로세스를 도시한 흐름도이다.
도 1은, 프린트 헤드(100)의 하우징(1) 내에 배열된, 피스톤(3)의 트리거링을 위한 액추에이터 장치(110); 인쇄 가능한 재료(10)를 위한 공급 디바이스(2); 하우징(1) 및 공급 디바이스(2)에 배열된, 냉각 장치(50)를 구비한 플랜지(5); 고체상(10)으로부터 플라스틱상(11)을 거쳐 액체상(12)으로의 재료(10)의 변환을 위한 가열 요소(61, 63)들을 구비한 노즐 헤드(6); 및 노즐 헤드(6)로부터의 재료(10)의 액체상(12)의 인출을 위한 노즐(8);을 포함하는 3D 프린터용 프린트 헤드(100)를 도시한다. 프린트 헤드(100)는 피스톤(3)의 안내를 위한 별도의 피스톤 부싱(4)을 포함한다.
냉각 장치(50)를 통해 내부 냉각되는 플랜지(5)는 액추에이터 장치(110)에 대한 또는 피스톤(3)의 구동부에 대한 프린트 헤드(100)의 하부 가열 영역의 열적 분리를 제공한다.
피스톤(3)은 피스톤(3)을 액추에이터 장치(110)에 연결하기 위한 제1 피스톤 부분(31)과, 제1 피스톤 부분(31)에 고정되고 노즐(8)의 방향으로 피스톤 니들(32)을 수용하는 피스톤 헤드(34)를 포함한다. 피스톤(3)에는 또는 피스톤 헤드(34)의 하부 측면(35)에는 재료의 플라스틱상(11)의 온도(TK)를 측정하기 위한 온도 센서(36)가 배열된다. 피스톤 헤드(34)의 하부 측면(35)은 피스톤 바닥부(35)를 형성한다. 제1 피스톤 부분(31)은 바람직하게는 알루미늄 중공 피스톤으로서 형성되고, 이러한 알루미늄 중공 피스톤은 냉각 채널로서 형성되는 공동을 내부에 포함한다. 제1 피스톤 부분(31)의 하부 단부에는 냉각제 시스템에 의해 냉각되는 피스톤 냉각부(33)가 배열된다.
피스톤 냉각부(33)는 피스톤 바닥부(35)에서의 재료(11, 12)의 응고를 제공하고, 이를 통해 피스톤(3)을 액추에이터 장치(110)의 방향으로 밀봉하거나, 이를 통해 액추에이터 장치(110)의 방향으로의 액체 용융물(12)의 유입을 방지한다. 냉각제로서 바람직하게는 냉각수가 사용되고, 이러한 냉각수는 연결부들 및 유연한 라인들에 의하여 하우징(1)을 통해 제1 피스톤 부분(31)의 냉각 연결부(37) 내로 이송된다.
플랜지(5) 내의 냉각 장치(50)에는 동일한 냉각제 시스템을 통해 냉각제가 공급된다.
피스톤 바닥부(35)에서의 재료(11, 12)의 냉각을 통하여 국소적으로 재료(11, 12)의 점성이 감소함으로써, 이러한 재료는 피스톤(3)의 후퇴 시에 실처럼 늘어지는 일 없이 이러한 피스톤으로부터 분리된다. 이 경우, 새로운 재료(10)를 위한 공간이 제공된다.
도 1은, 공급 디바이스(2)에 의해 프린트 헤드(100) 내로 공급되는 인쇄 가능한 재료(10)에 의한 프린트 헤드(100)의 충전을 위한 시작 위치에 있는 피스톤(3)을 도시한다.
공급 디바이스(2)는 깔때기형으로 형성되고, 바람직하게는 과립인 재료(10)는 상부로부터 공급 디바이스(2)의 개구 내에 주입된다. 재료(10)는 중력을 통해 피스톤 부싱(4)에 대한 개구(21) 또는 개구 단면에 이르기까지 도달된다. 개구(21)의 상부에 있는 공급 디바이스(2)의 하부 영역 내에는 공기 채널(20)이 배열된다. 이러한 공기 채널에는 공압 밸브(22)를 통해 공기 펄스들이 인가된다. 공압 밸브(22) 및 공기 채널(20)은, 더욱 상부에 위치하는 공급 디바이스(2)의 영역의 방향으로 과립이 내던져지고, 이를 통해 개별 과립편(10)들이 서로 분리되는 방식으로, 간격을 두고 과립(10)에 공기 분사를 인가하는 공기 주입 장치를 형성한다. 공기 흐름의 차단 시에는, 공급 디바이스(2)의 하부 영역 내에 위치한 과립(10)이 개구 단면(21)의 개방 시에 피스톤 부싱(4) 내로 낙하한다.
이를 통해, 공급 디바이스(2)의 공기 주입 장치가 과립편(10)들의 끼임을 방지함으로써, 공급 장치(2)의 막힘이 방지되고, 이러한 공급 장치는 과립(10)에 의한 피스톤 부싱(4)의 확실한 충전을 제공한다. 또한, 공급 디바이스(2)의 유입부 내의 더욱 작은 직경이 사용될 수 있다.
재충전의 프로세스는 과립(10)의 후방 공기 주입을 필요로 하기 때문에, 과립의 부양 효과가 발생하므로, 이러한 과립은 이어서 프린트 헤드(100) 내로 미끌어져 내린다. 소용돌이쳐 올라감은 자동 사용을 위해 필요하고, 생성되는 중력 펄스 또는 박동을 통해 과립(10)은 계속 미끌어져 내린다.
피스톤 부싱(4)은 플랜지(5) 내로 돌출된 상부 부분 영역(41)과, 노즐 헤드(6)의 상부 부분 영역(60) 내로 돌출된 하부 부분 영역(42)을 포함한다. 피스톤 부싱(4)의 상부 부분 영역(41)과 하부 부분 영역(42) 사이에는 정지부(43)가 배열되고, 이러한 정지부를 통해 플랜지(5)와 노즐 헤드(6)가 서로 분리된다. 개구(21) 또는 개구 단면은 피스톤 부싱(4)의 상부 부분 영역(41) 내에 배열되고, 피스톤 부싱(4)의 내부면에 절개부(44)를 포함한다. 절개부(44)는, 피스톤(3)을 통한 개구 단면(21)의 폐쇄 시에, 피스톤 바닥부(35)가 절개부(44) 하부의 위치에 도달할 때까지 과립(10)이 절개부(44)와 피스톤 바닥부(35) 사이에서 전단 가공되도록 작용한다.
피스톤 부싱(4)은 절개부(44)에서 둔각을 갖고, 이러한 절개부는 날카로운 모서리를 지니고, 경화되어 있다. 이 경우, 국소적 경화가 바람직하다. 대안적인 일 실시예에서, 절개부(44)는 터닝 플레이트와 유사한 별도의 삽입부를 통해서도 형성될 수 있다.
절개부(44)의 구조 형상은 바람직하게는 과립(10)을 전단 가공하는데 필요한 힘의 감소를 제공하기 때문에, 에너지가 절감될 수 있고, 피스톤 부싱(4) 및 피스톤(3)의 재료들이 마모에 덜 취약하다. 이 경우, 절개부(44)의 모서리는 극도로 마모에 취약하다.
본 발명에 따라, 피스톤 부싱(4)의 하부 부분 영역(42)에는 신장편(7)이 배열되고, 이러한 신장편(7)은 피스톤(3)의 피스톤 니들(32)의 수용을 위한 중심 연장 보어(70)를 포함하고, 신장편(7)은 동심 배열된 개구(71)들을 포함하고, 이러한 개구들은 피스톤 부싱(4) 내에 배열된 공동(40)과 노즐 헤드(6)의 하부 부분(62) 내에 배열된 용융 공간(81) 사이의 유체 연결을 형성한다. 공동(40)은 피스톤 부싱(4) 내부에 배열되고, 피스톤 부싱(4)의 내부 측면, 피스톤 니들(32)의 외부 측면, 신장편(7)의 상부 측면 및 피스톤(3)의 하부 측면(35)을 통해 형성된다.
신장편(7)의 바람직한 과제는, 노즐 헤드(6)의 가열 요소(61, 63)들로부터 용융물(12) 또는 재료의 액체상(12) 내로의 열전도 또는 에너지 전달이다. 이는 특히 공동(40)에 대한, 그리고 이에 따라 재료의 플라스틱상(11)에 대한 접촉면의 증가를 통해 달성된다.
추가의 일 과제는 피스톤 니들(32)의 안내이고, 보어(70) 내부에서의 피스톤 니들(32)의 접촉은 필요한 프로세스 온도로의 피스톤 니들(32)의 가열을 추가적으로 제공한다. 제1 가열 요소(61)로부터의 가열 에너지는 신장편(7)을 거쳐 보어(70) 내부의 피스톤 니들(32) 내로 도입 가능하다. 최종 프로세스 온도는 노즐 헤드(6) 내에서야 비로소 노즐(8)을 향해 달성된다.
프린트 헤드(100)의 충전 과정 동안, 노즐(8)은 필요 시에 폐쇄되고, 액추에이터 장치(110)를 통한 피스톤(3)의 트리거링 시에는 공동(40) 및 용융 공간(81) 내에 배열된 재료(10, 11, 12)가 피스톤 전진 이동을 통해 압축된다.
재료의 액체상(12)을 제조하기 위한 압축 프로세스(230) 동안 노즐(8)은 폐쇄되고, 피스톤 니들(32)은 용융 공간(81) 내에 잠겨짐으로써, 용융 공간(81)의 상부 영역으로부터의 액체상(12)의 일부가 신장편(7)의 개구(71)들을 통하여 다시 피스톤 부싱(4)의 공동(40) 내로 변위되기 때문에, 액체상(12)의 변위된 부분이 공동(40) 내의 플라스틱상(11)과 혼합되는 방식으로 형성된다.
노즐 헤드(6)는 프린트 헤드(100)의 가열 요소(61, 63)들을 포함하고, 제1 가열 요소(61)는 상부 노즐 헤드(60) 내에 배열되고, 제2 가열 요소(63)는 하부 노즐 헤드(62) 내에 배열된다. 상부 노즐 헤드(60)는 부분 섹션(64)을 포함하고, 이러한 부분 섹션은 상부 노즐 헤드(60)와 하부 노즐 헤드(62) 사이에 배열되고, 이러한 부분 섹션에는 신장편(7)이 위치한다. 노즐(8)의 영역 내에서는 냉각 링(84)이 노즐 헤드(6)에 배열된다. 이러한 냉각 링은 인쇄할 부품을 냉각하고, 이러한 부품을 프린트 헤드(100)로부터 열적으로 차폐한다.
노즐 헤드(6) 내의 가열 요소(61, 63)들은, 재료의 액체상(12)이 자신의 프로세스 온도에 도달되고 노즐(8)로부터 배출될 수 있을 때까지 공동(40), 신장편(7) 및 용융 공간(81) 내부의 재료(10, 11, 12)를 가열한다. 용융 공간(81)은, 상부 노즐 헤드(60)의 부분 섹션(64)으로부터 노즐(8)에 이르기까지 테이퍼링되는 방식으로 형성된다. 용융 공간(81)의 원추형 축소부는 체적 유량의 증가를 가능하게 하고, 노즐 헤드(6)의 내부 벽부에 대한 재료의 퇴적을 방지한다. 원통형 용융 공간(81)에 비하여, 원추형으로 축소되는 용융 공간(81) 내의 체적 또는 재료(12)가 더 적기 때문에, 혼합 프로세스는 추가로 최적화된다. 이를 통해, 피스톤 니들(32)은, 압축 시에 용융물(12)의 일부를 신장편(7)의 개구(71)들을 통해 용융 공간(81)으로부터 공동(40) 내로 재변위시키기 위해 더 적은 체적을 변위시키면 된다.
또한, 프린트 헤드(100)는 추가 센서들을 포함하고, 용융 공간(81) 내에는 압력(pL)을 위한 압력 센서(83)와, 재료의 액체상(12)의 온도(TL)를 위한 온도 센서(82)가 배열된다. 추가 센서들이 액추에이터 장치(110)에 배열되고, 피스톤(3)의 위치(s)에 대한 경로 측정 시스템(111)과, 피스톤(3)에 의해 재료(10, 11)에 가해지는 힘(F)에 대한 또는 피스톤(3)에 가해지는 유압(pH)에 대한 센서(112)가 제공된다. 대안적인 일 실시예에서, 센서(111, 112)들은 프린트 헤드(100)의 피스톤(3)에도 배열될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 프린트 헤드(100)의 일부를 90°만큼 회전한 관점으로 도시하고, 피스톤 부싱(4)의 상부 부분 영역(41)으로부터 시작하여 신장편(7)을 거쳐 노즐(8)에 이르기까지, 재료(10, 11, 12)에 의해 충전된, 작동 중의 프린트 헤드(100)의 상태 구역(A, B, C, D, E)들이 도시되어 있다. 상태 구역(A, B, C, D, E)들은 온도(TS)에 따른 재료(10)의 응집 상태를 나타내고, 상태 구역(A, B, C, D, E)들에 걸친 재료(10)의 응집 상태는 고체상(10)으로부터 플라스틱상(11)을 거쳐 액체상(12)으로 변화 가능하다.
프린트 헤드(100) 내부의 재료(10, 11, 12)의 온도(TS) 또는 온도 진행 추이는, 프린트 헤드(100) 위에 표시된 다이어그램 내에 도시되고, 이러한 온도는 프린트 헤드(100)의 작업 영역(120)의 길이 또는 경로(s)에 걸쳐 도시된다.
프린트 헤드(100)의 상태 구역(A, B, C, D, E)들은 고체상(10)의 재료를 갖는 냉각 구역(A)과, 플라스틱상(11)의 재료를 갖는 가소화 구역(B)과, 각각 액체상(12)의 재료를 갖는 용융 구역(D) 및 프로세스 구역(E)을 포함한다. 또한, 상태 구역들은 플라스틱상(11)의 재료 및 액체상(12)의 재료를 갖는 혼합 구역(C)을 포함한다.
플랜지(5) 내의 냉각 장치(50)와, 피스톤(3)에 통합된 피스톤 냉각부(33)는, 가소화 구역(B) 내에 있는 재료의 플라스틱상(11)의 온도(TS)를, 재료(11)가 가소화되기 시작하고 액체상(12)으로 전이되기 시작하는 유리 전이 온도(Tg) 미만으로 유지하기 위해 제공된다. 여기에 도시된 실시예들에서, 플라스틱상(11)의 재료를 갖는 가소화 구역(B)은, 과립의 점성이 이미 변화하였으므로, 압축 프로세스 및 혼합 프로세스가 최적화되지만, 과립의 플라스틱상(11)이 가까스로 액체상(12)으로 전이되지 않는 재료 또는 과립의 상태를 설명한다.
또한, 노즐 헤드(6)는 2개의 가열 구역(65, 66)들을 포함한다.
제1 가열 구역(65) 내에는 가소화 구역(B)의 부분 영역, 혼합 구역(C) 및 용융 구역(D)의 부분 영역이 배열되고, 상부 노즐 헤드(60) 내의 제1 가열 요소(61)는, 가열 에너지가 제1 가열 요소(61)로부터 피스톤 부싱의 하부 부분 영역(42), 신장편(7) 및 상부 노즐 헤드의 부분 섹션(64)을 거쳐 재료(10, 11, 12) 내로 도입 가능한 방식으로 배열된다.
제2 가열 구역(66) 내에는 용융 구역(D)의 부분 영역 및 프로세스 구역(E)이 배열되고, 하부 노즐 헤드(62) 내의 제2 가열 요소(63)는, 가열 에너지가 제2 가열 요소(63)로부터 하부 노즐 헤드(62)를 거쳐 재료의 액체상(12) 내로 도입 가능한 방식으로 배열된다.
다이어그램으로부터는, 재료(10, 11, 12)의 온도(TS)가 프린트 헤드(100)의 작업 영역(120)의 경로(s)에 걸쳐 끊임없이 증가한다는 것을 볼 수 있다. 냉각 구역(A) 내에는 플랜지(5)의 냉각 장치(50)의 효과가 우세하기 때문에, 과립(10)은 경로(s)에 걸쳐 천천히 가열될 뿐이다. 가소화 구역(B)에서부터, 제1 가열 요소(61)를 구비한 제1 가열 구역(65)의 영향이 증가하기 시작하고, 온도 곡선은 유리 전이 온도(Tg)의 도달에 이르기까지 급격하게 상승하고, 그곳에서부터 혼합 구역(C)이 시작된다. 온도(TS)는 용융 구역(D)에 도달될 때까지 혼합 구역(C) 내에서 더 낮은 기울기로 계속 상승한다. 그곳에서, 제2 가열 요소(63)를 구비한 제2 가열 구역(66)의 영향 구역이 시작되고, 이러한 제2 가열 요소는, 프로세스 구역(E) 내의 용융물(12)의 프로세스 온도가 달성되고 인쇄 가능한 용융물(12)이 생성될 때까지 용융물(12)의 온도(TS)가 급격하게 상승되도록 한다.
온도(TS)는, 과립(10)이 충전 시에 달라붙는 일 없이 공동(40) 내로 흘러 들어갈 수 있지만, 절개부(44)에서의 재료(10, 11)의 전단 가공이 가능한 한 적은 힘소모에 의해 가능한 방식으로 예열되기도 하도록 설정되어야 한다. 이 경우, 프린트 헤드(100)의 온도 관리는, 플랜지(5) 내의 냉각 장치(50)가 약 40℃의 냉각 온도 조절을 피스톤 부싱(4) 내에 그리고 이를 통해 재료(10, 11) 내에 도입하고, 제1 가열 구역(65)의 제1 가열 요소(61)가 재료(10, 11, 12)의 용융 온도 또는 유리 전이 온도(Tg) 미만의 약 30℃의 가열 온도 조절을 도입하도록 설정된다.
이러한 효과는 피스톤 냉각부(33)를 통해 보조된다. 피스톤 바닥부(35)에서의 재료(11, 12)의 냉각을 통하여 국소적으로 재료(11, 12)의 점성이 감소함으로써, 이러한 재료는 피스톤(3)의 후퇴 시에 실처럼 늘어지는 일 없이 이러한 피스톤으로부터 분리된다. 이 경우, 피스톤(3)이 공급 디바이스(2)에 대한 개구 단면(21)을 개방할 때, 새로운 재료(10)를 위한 공간이 제공된다.
피스톤 바닥부(35)에 있는 온도 센서(36)는 재료(10, 11)에 대한 피스톤(3)의 접촉 지점에서의 온도(TK)를 측정하기 때문에, 프린트 헤드(100)의 냉각력 및 가열력이 계산될 수 있으므로, 재료(10)의 유리 전이 온도(Tg)가 초과되지 않는다. 피스톤 바닥부(35)에 온도 센서(36) 또는 온도 감지기가 배열됨으로써, 피스톤 위치에 따른 가열 요소(61, 63)들의 폐회로 제어와, 이를 통해 온도(TS)의 설정이 가능하다. 이를 통해, 재료(11, 12)의 더욱 신속한 가열이 달성된다. 이와 같이, 프린트 헤드(100)의 열 관리는 60 내지 80℃ 미만의 낮은 용융 온도를 갖는 플라스틱들의 처리도 가능하게 한다.
프로세스 구역(E) 내의 재료의 액체상(12)을 제조하기 위한 압축 프로세스 동안, 노즐(8)은 폐쇄된다. 노즐(8)은 예를 들어 도시되지 않은 폐쇄 밸브를 통해 또는 프린터의 구조 공간 내의 플레이트 상에 프린트 헤드(100)가 위치 설정됨으로써 폐쇄될 수 있다. 또한, 이미 인쇄된 부품(9)의 영역에 접근될 수도 있고, 이를 통해 노즐(8)이 폐쇄될 수도 있다. 압축 프로세스 동안, 피스톤 니들(32)은 용융 공간(81) 내에 잠겨지고, 이러한 용융 공간 내로 더 이동함으로써, 액체상(12)의 일부가 용융 구역(D)으로부터 다시 혼합 구역(C) 내로 변위되기 때문에, 혼합 구역(C) 내에서 액체상(12)의 일부가 가소화 구역(B)으로부터의 플라스틱상(11)과 혼합되는 방식으로 형성된다.
이 경우, 용융 구역(D)으로부터의 액체상(12)은 용융 공간(81)의 상부 영역으로부터 신장편(7)의 개구(71)들을 통해 다시 혼합 구역(C) 내의 피스톤 부싱(4)의 공동(40) 내로 변위된다.
도 3은, 피스톤(3)을 이동시키기 위한 액추에이터 장치(110)의 능동형 폐회로 제어를 위한 개회로- 및 폐회로 제어 유닛(113)과; 센서(36, 82, 83, 111, 112)들의 측정값들을 평가하도록, 그리고 결과들을 액추에이터 장치(110)의 능동형 폐회로 제어를 위한 그리고 가열 요소(61, 63)들의 능동형 폐회로 제어를 위한 개회로- 및 폐회로 제어 유닛(113)에 전달하도록 형성된 평가 유닛(114);을 구비한 본 발명에 따른 프린트 헤드(100)를 개략적으로 도시한다.
개회로- 및 폐회로 제어 유닛(113)은 충전 및 인쇄를 위한 실행될 작동 전략에 상응하게 피스톤(3)을 이동시키기 위한 액추에이터 장치(110)의 능동형 폐회로 제어를 위하여 그리고 제1 가열 요소(61) 및 제2 가열 요소(63)의 온도의 능동형 폐회로 제어를 위하여 제공된다.
액추에이터 장치(110)의 능동형 폐회로 제어를 위해서는, 평가 유닛(114)으로부터 수신된 센서 신호들, 그리고 각각의 값들로부터 계산된 결과들이 중요하다.
압력(pL)에 대한 압력 센서(83), 그리고 액체상(12)의 온도(TL)에 대한 온도 센서(82)는 용융 공간(81) 내에 배열된다. 피스톤(3)의 위치(s)를 위한 경로 측정 시스템(111), 그리고 피스톤(3)에 의해 재료(10, 11)에 가해지는 힘(F)을 위한 또는 피스톤(3)에 가해지는 유압(pH)을 위한 센서(112)는 액추에이터 장치(110)에 또는 피스톤(3)에 배열된다.
또한, 피스톤(3)에는 재료의 플라스틱상(11)의 온도(TK)를 위한 온도 센서(36)가 배열된다.
점선 화살표들을 통해 표시된 센서(111, 112, 36, 82, 83)들의 신호(s, F, pH, TK, TL, pL)들은 평가 유닛(114)으로 전달된 이후, 이러한 평가 유닛 내에서 또는 클라우드 내에서 평가되고, 결과들이 작동 전략에 상응하게 제어 변수(i)로서 개회로- 및 폐회로 제어 유닛(113)으로 전달되고, 액추에이터 장치(110) 및 가열 요소(61, 63)들이 상응하게 트리거링된다.
도 4는 본 발명에 따른 프린트 헤드(100)의 작동을 위한 본 발명에 따른 방법(200)의 흐름도를 도시하고, 이러한 방법(200)은 하기 단계들, 즉
공급 디바이스(2)를 통하여, 인쇄 가능한 재료(10)에 의해 공동(40)을 충전하는 단계(210),
시작 위치(3a)로부터 시작하여 노즐(8)의 방향으로 피스톤(3)을 전진 이동 또는 이동시킴으로써 피스톤 부싱(4)의 개구 단면(21)을 폐쇄하는 단계(220),
재료(10)를 압축하는 단계(230),
재료를 고체상(10)으로부터 액체상(12)으로 변환하는 단계(240),
피스톤(3)의 종료 위치(3z)에 도달될 때까지 또는 부품(9)의 완성에 이르기까지 3차원 부품(9)의 인쇄를 위한 노즐(8)로부터 재료의 액체상(12)을 인출하는 단계(250),
피스톤(3)을 시작 위치(3a)로 복귀 이동시키는 단계(260), 그리고
방법(200)의 종료에 이르기까지 단계(210 내지 260)들을 반복하는 단계(270)를 포함한다.
적어도 방법(200)의 폐쇄 단계(220), 압축 단계(230), 변환 단계(240) 및 인출 단계(250)는 개회로- 및 폐회로 제어 유닛(113)을 통한 액추에이터 장치(110)의 능동형 폐회로 제어를 통해 실행되고, 센서(36, 82, 83, 111, 112)들의 측정값들로부터의 평가 유닛(114)의 결과들은 개회로- 및 폐회로 제어 유닛(113)으로 전달된다.
도 5는 본 발명에 따른 프린트 헤드(100)의 일부와 2개의 다이어그램(5a, 5b)들을 도시하고, 이러한 다이어그램들은 작동 동안의 또는 프린트 헤드(100)의 작동을 위한 방법(200)의 다양한 방법 단계들 동안의 압력 진행 추이 또는 압력-, 힘 진행 추이를 도시한다. 도 6은 피스톤 바닥부(35)의 시작 위치(3a)에서 시작하여 종료 위치(3z)까지의, 도 5로부터의 다양한 방법 단계들 또는 상태들에 대한 피스톤(3)의 상이한 위치들을 도시한다. 방법 단계들이 실행되는 동안, 플랜지(5) 및 피스톤(3) 내의 냉각 장치(50, 33)들 그리고 가열 요소(61, 63)들은 활성 상태이고, 용융 공간(81) 그리고 신장편(7)은 용융물(12)에 의해 충전되고, 공동(40)의 하부 부분 영역 내에는 플라스틱상(11)의 과립이 여전히 위치한다.
도시된 프린트 헤드(100)의 일부들은 도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명에 따른 프린트 헤드(100)의 일부에 상응하므로, 상기 도면들의 도면 부호들은 도 5 및 도 6을 설명하는데 사용되고, 새로운 특징들 및 기준들, 예를 들어 피스톤 바닥부(35)에 대한 피스톤(3)의 각각의 위치가 도 5 및 도 6에 표시되어 있다.
도 5는 제1 다이어그램(5a)에서, 피스톤(3)에 의해 진행되는 경로(s)에 걸쳐 플로팅되는 2개의 곡선 진행 추이들을 도시한다. 경로(s)는 경로 측정 시스템(111) 또는 경로 센서(111)에 의하여 액추에이터 장치(110)에서 또는 피스톤(3)에서 측정된다.
윗쪽 곡선은, 폐쇄 단계(220) 및 압축 단계(230)에서 액추에이터 장치(110)를 통해 피스톤(3)이 전진 이동하는 동안의, 피스톤(3)에 의해 재료(10, 11)에 가해지는 힘(F)을 위한 또는 피스톤(3)에 가해지는 유압(pH)을 위한 힘-, 압력 진행 추이를 도시하고, 힘- 또는 압력 센서(112)는 액추에이터 장치(110)에 또는 피스톤(3)에 배열된다.
다이어그램(5a) 내의 아래쪽 곡선은, 압축 단계(230) 동안의, 피스톤(3)의 경로(s)에 걸친 용융 공간(81) 내의 용융물 압력(pL)의 압력 진행 추이를 도시한다. 액체상(12) 또는 용융물(12)의 압력(pL)을 위한 압력 센서(83)는 용융 공간(81) 내에 배열된다.
제2 다이어그램(5b) 내에는 제1 다이어그램(5a)의 아래쪽 곡선의 일부 구간이 도시되고, 여기에서도 압축 단계(230) 동안의, 피스톤(3)의 경로(s)에 걸친 용융 공간(81) 내의 용융물 압력(pL)의 압력 진행 추이가 도시된다(pc로부터 pd로의 곡선 진행 추이).
도 6a는 프린트 헤드(100)의 충전 프로세스(210) 동안의 피스톤(3)의 시작 위치(3a)를 도시하고, 피스톤 바닥부(35)는 피스톤 부싱(4)의 개구(21)의 상부 측면에 위치 설정된다. 충전 프로세스(210)는 리필 프로세스라고도 불리는데, 이는 부품(9)의 인쇄 동안 원하는 대로 반복되는 반복 시퀀스에 관한 것이기 때문이다. 도 6a에 도시된 피스톤(3)의 위치는 도 1로부터의 피스톤(3) 위치와 유사하다. 피스톤 부싱(4)의 개구(21) 또는 개구 단면(21)은 개방되어 있고, 과립(10)은 공급 디바이스(2)를 거쳐 피스톤 부싱(4)의 공동(40) 내로 도입될 수 있다. 이어서, 피스톤(3)은 액추에이터 장치(110)를 통해 도 6b에 도시된 위치(3b)로 개회로 제어된다. 이 경우, 피스톤 바닥부(35)는 피스톤 부싱(4)의 절개부(44)를 지나 슬라이딩되고, 개구(21)로부터 공동(40) 내로 돌출된 과립(10)은 피스톤 바닥부(35)와 절개부(44) 사이에서 전단 가공된다. 따라서, 이러한 위치는 전단 가공 위치(3b)라고 불린다. 전단 가공 단계 이후에, 개구 단면(21)은 폐쇄된다(220).
힘-, 압력 진행 추이(F, pH)는 시작 위치(3a)로부터 전단 가공 위치(3b)에 이르기까지 상승하고, 액추에이터 장치(110)의 힘소모는 절개부(44)에서 또는 전단 가공 위치(3b)에서 가장 높은데, 이는 액추에이터 장치(110)가 과립(10)의 전단 가공을 위한 힘을 제공해야 하기 때문이다. 이러한 힘소모는 과립(10)의 예열 그리고 피스톤 바닥부(35)의 특성과 관련한 절개부 기하 구조의 최적화와 같은 적절한 조치들을 통해 감소될 수 있다. 대조적으로, 노즐(8)이 여전히 개방되어 있고, 용융 공간(81) 내에 압력 형성이 설정되지 않기 때문에 용융물(12)의 압력 진행 추이(pL)는 약간만 변화하거나, 거의 상승하지 않는다.
이어서, 피스톤(3)은 힘-, 또는 압력 개회로 제어식으로 액추에이터 장치(110)를 통해 위치(3c)에 이르기까지 이동된다. 피스톤(3)의 이동 시에는, 재료 또는 과립(10, 11)에 가해지는 힘(F) 또는 피스톤(3)에 가해지는 유압(pH), 그리고 용융물(12) 내의 압력(pL)이 측정된다. 이러한 피스톤(3)의 이동을 통해서는 재료(10, 11, 12)가 사전 압축된다.
위치(3c)는 힘-, 또는 압력 상승을 통해 규정되고, 즉 위치(3c)는 트리거링되는데, 직접적인 점이 트리거링되는 것이 아니라, 다이어그램(5a) 내에 도시된 곡선들의 에지가 트리거링된다. 이러한 에지는 사전 규정된 기울기 또는 사전 규정된 기울기 각도가 달성되고 그리고/또는 초과되는 [위치(3c)에서의] 곡선의 상승부에 이르기까지의, 약간의 기울기를 갖거나 기울기를 갖지 않는[위치(3a)에서 위치(3c)까지의 영역] 직선들 각각의 변화점(pLc, Fc, pHc)에서 생성된다. 위치(3c)는 가소화 구역(B)의 첫번째 1/3 위치에 위치한다. 과립(10, 11)은 가소화 구역(B) 내에서 피스톤(3)의 전진 이동을 통해 압축되고, 이와 동시에 공동(40)과 노즐(8) 사이의 용융 구역(D) 내에는 용융물(12)이 위치한다. 이를 통해, 가소화된 과립(11)은 혼합 구역(C) 내에서 용융물(12) 내로 가압된다.
노즐(8) 방향으로의 피스톤(3)과, 마찬가지로 피스톤 니들(32)의 하강을 통해 이미 용융물(12)이 노즐(8)로부터 배출됨으로써, 여전히 존재할 수도 있는 공기 또는 봉입 공기가 노즐 헤드(6)로부터 나오도록 변위되는 것이 달성된다. 이를 통해, 노즐(8)은 비워진다.
위치(3c)에는 이동 및 재료로 인해 공차가 제공됨으로써, 프린트 헤드(100)의 연속으로 실행되는 다양한 충전 과정들에서 피스톤(3)의 위치(3c)는 약간 상이할 수 있다. 따라서, 위치(3c)는 고정점이 아니다. 위치(3c)가 사전 결정된 공차 이내에 있는 경우, 충전 프로세스(210)가 성공적이었음이 보장되고, 즉 충분한 과립(10)이 공동(40) 내에 주입되었으며, 용융 공간(81)이 이미 용융물(12)에 의해 충전되어 있는 것이 보장된다. 에지가 예를 들어 위치(3c) 보다 너무 앞에서 시작되는 경우, 피스톤 바닥부(35)로부터 노즐(8)에 이르기까지의 영역 내에는 점성이 높거나 단단한 재료(10, 11)가 너무 많고, 혼합 구역(C) 내에서의 혼합 프로세스가 경우에 따라 성공적이지 않았다. 에지가 예를 들어 위치(3c)보다 훨씬 뒤에서야 시작되는 경우, 경우에 따라 재료(10)가 너무 적게 재충전되었을 수 있다.
위치(3c)의 도달 이후, 프린트 헤드(100)의 노즐(8)은 폐쇄된다.
사전 압축 단계(310)는 종료되고, 압축 단계(330)를 위해, 피스톤(3)은 위치(3c)로부터 시작하여, 사전에 규정된 피크 압력(pd)이 달성되고 피스톤 바닥부(35)가 도 6c에 도시된 위치(3d)로 이동될 때까지 압력 개회로 제어식으로 전진 이동된다. 피크 압력(pd)은 재료(10) 및 필요에 따라 약 100 내지 300bar일 수 있다.
압축 단계(330) 동안, 노즐(8)은 폐쇄되고, 피스톤 니들(32)은 용융 공간(81) 내에 잠겨짐으로써, 용융 공간(81)의 상부 영역으로부터의 액체상(12)의 일부가 신장편(7)의 개구(71)들을 통하여 용융 구역(D)으로부터 다시 혼합 구역(C) 내로 변위되기 때문에, 혼합 구역(C) 내에서 액체상(12)의 부분이 가소화 구역(B)으로부터의 플라스틱상(11)과 혼합되는 방식으로 형성된다.
이어서, 소위 피크 압력 위치(3d) 또는 유지 위치(3d)는 재료에 따른 사전 규정된 기간 동안 유지된다.
피스톤(3)이 유지 위치(3d)에서 유지되는 단계(340) 동안, 노즐(8)은 계속 폐쇄되고, 피스톤 니들(32)은 용융 공간(81) 내에 잠겨짐으로써, 용융 공간(81)의 상부 영역으로부터의 액체상(12)의 일부가 신장편(7)의 개구(71)들을 통하여 용융 구역(D)으로부터 다시 혼합 구역(C) 내로 변위되기 때문에, 혼합 구역(C) 내에서 액체상(12)의 부분이 가소화 구역(B)으로부터의 플라스틱상(11)과 혼합되는 방식으로 형성된다. 이 경우, 피스톤 바닥부(35)는 제1 가열 구역(65) 내로, 그리고 피스톤 니들(32)은 용융 공간(81) 내로 돌출되고, 이러한 유지 동안에는 용융물(12)의 일부가 노즐 헤드(6)의 용융 공간(81)으로부터 신장편(7)의 개구(71)들을 통해 다시 혼합 구역(C) 내로, 즉 그곳에 위치한 가소성 과립(10) 내로 유동한다. 이를 통해, 잔류 공기가 변위되고, 용융물(12)이 혼합 구역(C) 내에서 균질화된다. 이를 통해, 더욱 양호한 에너지 흐름이 달성되고, 더욱 균질한 재료(11, 12)가 생성된다. 역류하는 용융물(12)은 가소성을 갖고, 신장편(7) 내로 이동된 과립부(11)들은 용융물 형태가 된다. 이를 통해, 재료(11, 12)의 혼합이 생성된다.
또한, 본원에 설명된 유지 과정은 프린트 헤드(100)의 시스템 점검을 위해 그리고 분석을 위해 사용되는데, 그 이유는 하기 효과들이 압력(pL)의 압력 측정 시에 나타날 수 있기 때문이다. 용융물(12) 내의 압력(pL)의 압력 상승은, 예를 들어 온도(TL)가 너무 높기 때문에 용융물(12)이 가스를 방출한다는 것을 의미할 것이다. 너무 높은 용융 온도(TL)들은, 공기 플라즈마가 생성될 수 있기 때문에 바람직하지 않은데, 이는 화학적 분해를 야기할 수도 있다.
용융물 압력(pL)의 강한 압력 강하는 예를 들어, 프린트 헤드(100)의 시스템이 누설되고 있거나, 시스템 내의 공기가 여전히 너무 많았음을 의미할 수 있을 것이다. 이러한 효과는, 예를 들어 프린트 헤드(100)의 온도 관리가 최적으로 설정되지 않았기 때문에 공동(40) 내에 냉각된 재료(10, 11)가 너무 많이 존재했던 경우에 발생할 수 있을 것이다.
사전 규정된 기간의 경과 이후, 피스톤(3)은 피크 압력 위치(3d)로부터 액추에이터 장치(110)에 의하여 압력 개회로 제어식으로, 대략 0bar의 목표 압력(pe)이 달성될 때까지 복귀 이동된다. 시스템은 이완된다. 이를 통해, 용융물(12)이 감압되고 공기 배출됨으로써, 질적으로 고급이고 인쇄 가능한 순수한 용융물(12)이 특히 프로세스 구역(E) 내에 생성되는 것이 달성된다. 목표 압력(pe)의 달성 시에는, 도 6d에 도시된 목표 압력 위치(3e)가 달성되고, 피스톤 바닥부(35)는 제1 가열 구역(65) 외부에서 피스톤 부싱(4)의 정지부(43)의 영역 내에 위치 설정된다.
피크 압력 위치(3d)의 압력(pd)과 목표 압력 위치(3e)의 압력(pe) 사이의 이제 측정된 압력 차이 그리고 2개의 점(3d, 3e)들 사이에서 진행되는 경로(s)는 재료의 액체상(12) 또는 용융물(12)의 스프링 상수를 얻는다.
이러한 스프링 상수는 용융물(12)의 압축률로부터 얻어지고, 액추에이터 장치(110)를 통한 피스톤(3)의 정확한 트리거링을 위해 필요한 보정 계수 또는 형상 계수를 유도한다.
이러한 용융물의 압축률로 인하여, 예를 들어 피스톤(3)을 통해 진행되는 기하학적 피스톤 경로(s)의 1.2 체적 단위들은 용융물(12)의 배출된 체적의 1.0 체적 단위들에 상응한다. 압축률이 없다면 이러한 비율은 1:1일 것이다.
이를 통해, 액추에이터 장치(110)가 피스톤(3)을 폐회로 제어식으로 트리거링할 수 있는 것이 달성되고, 특히 스프링 상수는, 용융물(12)의 실제 배출이 인쇄 시의 이동되는 프린트 헤드(100)의 궤적 속도에 따른 용융물(12)의 계산된 정확한 체적 유량을 달성하는 것을 가능하게 한다. 이는, 프린트 헤드(100)의 각각의 궤적 속도에서의 각각의 인쇄 위치에서, 각각 필요한 양의 용융물(12)이 부품(9) 상에 인출됨을 의미한다.
이어서, 인쇄 프로세스(250)는 피스톤(3)의 후퇴를 통한 능동형 압축 해제를 거쳐 준비된다.
이 경우, 피스톤(3)은 결정된 스프링 상수에 따라 약 1 내지 2밀리미터만큼 후퇴됨으로써, 노즐이 후속적으로 개방될 때, 용융물(12)이 노즐(8) 또는 노즐 개구로부터 배출되지 않는 것이 달성된다. 중력의 영향을 통하여 기존의 개방된 시스템으로 인해 위치(3e)가 추가로 유지되는 경우가 이에 해당할 것이다. 이와 동시에, 용융물(12)은 스프링과 유사하게 이완된다.
후속적으로, 압축을 통한 추가 인쇄 준비가 시작된다.
이미 설명된 바와 같이, 용융물(12)이 예를 들어 대략 20%의 압축을 가질 수 있기 때문에, 프린트 헤드(100)의 전체 시스템은 압축 가능한 시스템이다. 따라서, 피스톤(3)의 전진 이동을 통해 변위되는 체적은 배출되는 재료(12)의 체적에 상응하지 않기 때문에, 부정확하고 불규칙한 배출이 얻어질 수 있다. 인쇄 프로세스(250)의 전진 이동을 위한 용융물(12)의 가능한 체적은 목표 위치(3e)와, 도 6e에 도시된 종료 위치(3z)까지의 경로에 의해 규정된다.
상술한 효과로 인하여 용융물(12)은 인쇄 시작 동안 압축된다. 인쇄 시작 시의 용융 공간(81) 내 용융물(12)의 압축은, 일부는 용융물(12)의 "가압 배출" 시의 노즐(8)의 노즐 개구에서의 마찰에 의해 생성되고, 일부는 부품(9)에 대한 또는 부품(9)이 형성되는 기판 캐리어에 대한 인쇄 시 저항에 의해 생성된다.
용융물(12)의 균일한 배출은 프린트 헤드(100)의 지능형 폐회로 제어를 통해 달성되고, 액추에이터 장치(110)에서의 전자식 기어 장치의 사용을 통한 피스톤(3)의, 보정 계수만큼 매칭된 비동기식 이동들이 실행된다. 특히 용융물(12)의 결정된 스프링 상수로부터 얻어지는 보정 계수는 말하자면 시스템에 혼입된다. 따라서, 본 발명에 따른 프린트 헤드(100)는 종래의 NC 시스템들과 유사한 동기식 이동들로의 제한을 갖지 않는다.
인쇄 프로세스(250)는 압력 폐회로 제어식으로 실행되고, 용융물(12)의 압력(pL)은 노즐 헤드(6) 내의 압력 센서(83)에 의해 지속적으로 측정된다. 측정된 압력(pL)은, 부품(9)에 대한 또는 기판 캐리어에 대한(아직 부품이 존재하지 않는 경우) 용융물(12)의 배출을 통해 생성되는 압력이다. 대상물에 대한 인쇄가 실행되는 이러한 효과가 없다면, 마찰 압력 외에 노즐(8)에 역압이 존재하지 않을 것이므로, 너무 많은 재료/용융물(12)이 노즐(8)로부터 배출될 것이다.
인쇄 프로세스(250)는, 피스톤(3)의 지능형 폐회로 제어 및 트리거링을 통해 용융물(12)이 능동적으로 혼입됨으로써 시작된다. 이 경우, 용융물(12)의 압축률을 보상하기 위해 양정이 "더 많이" 실행된다. 이 경우, 원칙적으로 너무 많은 용융물(12)이 노즐(8)로부터 나오도록 가압되지만, 압력 센서(83)는 용융물(12)의 혼입에 대해 병렬로 판독됨으로써, 이에 상응하게 압력에 따라 역 폐회로 제어가 실행될 수 있다.
전기 구동식 액추에이터 장치(110)가 이러한 경우에 대해 동적이고 매우 효과적인 것으로 입증되었다.
인쇄 프로세스(250) 동안, 연속적으로 용융물 온도(TS)가 측정되고, 가열 구역(2) 내에서 용융물(12)은 노즐 헤드(6) 내의 가열 요소(63)들에 의하여 프로세스 구역(E)의 영역 내의 프로세스 온도의 필요한 설정값으로 폐회로 제어된다.
인쇄 시작 시에, 피스톤(3)은 프린트 헤드(100)의 궤적 속도에 상응하게 액추에이터 장치(110)에 의해 트리거링됨으로써, 용융물(12)이 노즐(8)로부터 배출된다.
인쇄 프로세스 동안, 프린트 헤드(100)의 개회로- 및 폐회로 제어 유닛(113)은 활성화되고, 예를 들어 필요 시에 재료(12)에 대한 첨가량 또는 첨가 설정값을 첨가하기 위해 액추에이터 장치(110)의 트리거링에 능동적으로 개입한다. 예를 들어, 첨가 설정값이 첨가되고, 이를 통해 연속 트리거링을 통한 것보다 더 많은 재료(12)가 노즐(8)로부터 배출 또는 압출되는 경우, 결과적으로 노즐 헤드(6)에서의 압력(pL)도 증가한다. 이 경우, 첨가 설정값은 스프링 상수로부터 결정된 보정값에 상응하게 원하는 체적의 용융물(12)을 배출하기 위해 진행되어야 하는 추가 피스톤 경로 또는 혼입된 값이다. 이를 통해, 정상 상태가 달성됨으로써, 부품(9) 상에 배출되는 용융물(12)의 양은 일정하게 유지된다.
피스톤(3)의 전진 이동과, 그로부터 초래되는 용융물(12) 내 압력 상승을 통하여, 용융물(12)의 가상 "스프링"은 더 작아지거나 더 단단해진다. 이러한 발생된 기술적 효과는 개회로- 및 폐회로 제어 유닛(113)을 통해 재 폐회로 제어되기 때문에, 또한 인쇄 프로세스(250) 동안 용융물(12)의 정확한 양이 노즐(8)로부터 배출된다.
이 경우, 피스톤 니들(32)의 사용은, 이러한 피스톤 니들을 통해 용융 공간(81) 내의 용융물(12) 내부에서의 직접적인 체적 변위가 가능함으로써, 더 작은 스프링 상수가 달성되는 바람직한 효과를 제공한다. 또한, 작은 스프링 상수는 프린트 헤드(100)의 높은 동역학을 가능하게 한다. 이러한 효과는, 피스톤 니들(32)을 통해 용융물(12)로의 직접적인 압력 전달이 실행됨으로써 얻어진다. 이에 따라, 피스톤(3)의 전진 이동 시에는 피스톤 바닥부(35) 뿐만 아니라, 노즐(8)에 더 가깝게 위치 설정된 피스톤 니들(32)도, 노즐(8)로부터의 용융물(12)의 배출을 위한 압력 펄스를 전달한다.
인쇄 프로세스(250)는, 피스톤 바닥부(35)가 위치(3z)에 도달할 때까지 최대로 실행 가능하고, 위치(3z)는 피스톤 바닥부(35)가 기계적 정지부에 도달하지 않고, 도 6e에 도시된 바와 같이 신장편(7)에 도달하기 직전에 정지하는 방식으로 설정된다. 그 이후, 재료(12)가 더 이상 배출될 수 없으며, 상술한 충전 프로세스(210) 또는 리필 프로세스가 새로이 시작된다.
도 7은 본 발명에 따른 프린트 헤드(100)의 작동을 위한 본 발명에 따른 방법(200)의 압축 프로세스(230)의 흐름도를 도시한다.
압축 프로세스(230)는 하기 단계들, 즉
피스톤(3)의 전진 이동을 통해 재료(10, 11, 12)를 사전 압축하는 단계(310);
노즐(8)을 폐쇄하는 단계(320);
피스톤(3)의 전진 이동을 통해 재료(10, 11, 12)를 압축하는 단계(330); 및
피스톤(3)을 유지 위치(3d)로 유지하는 단계(340);를 포함한다.
사전 압축 단계(310)는 액추에이터 장치(110)를 통한 피스톤(3)의 힘-, 또는 압력 개회로 제어식 트리거링을 통해 실행되고, 피스톤 바닥부(35)의 목표 위치(3c)는 냉각 구역(A)으로부터 시작하여 가소화 구역(B)의 첫번째 1/3 위치에 위치한다. 과립(10, 11)은 가소화 구역(B) 내에서 피스톤(3)의 전진 이동을 통해 압축되고, 이와 동시에 공동(40)과 노즐(8) 사이의 용융 구역(C) 내에는 용융물(12)이 위치한다. 이를 통해, 가소화된 과립(11)은 혼합 구역(C) 내에서 용융물(12) 내로 가압된다.
노즐(8) 방향으로의 피스톤(3)과, 마찬가지로 피스톤 니들(32)의 하강을 통해 이미 용융물(12)이 노즐(8)로부터 배출됨으로써, 여전히 존재할 수도 있는 공기 또는 봉입 공기가 노즐 헤드(6)로부터 나오도록 변위되는 것이 달성된다. 이를 통해, 노즐(8)은 비워진다.
사전 압축 단계(310)의 목표 위치(3c)의 도달 이후, 프린트 헤드(3)의 노즐(8)은 폐쇄된다(320).
재료(10, 11, 12)의 압축(330)을 위해, 피스톤(3)은, 규정된 피크 압력(pd)이 달성되고 이에 따라 피크 압력 위치(3d) 또는 유지 위치(3d)가 도달될 때까지 액추에이터 장치(11)를 통해 압력 개회로 제어식으로 전진 이동된다. 이 경우 방법(200)의 일 개선예에서, 프린트 헤드(100)의 작동을 위하여 압축 단계(330) 동안, 노즐(8)은 폐쇄되고, 피스톤 니들(32)은 용융 공간(81) 내에 잠겨짐으로써, 용융 공간(81)의 상부 영역으로부터의 액체상(12)의 일부가 신장편(7)의 개구(71)들을 통하여 용융 구역(D)으로부터 다시 혼합 구역(C) 내로 변위되기 때문에, 혼합 구역(C) 내에서 액체상(12)의 부분이 가소화 구역(B)으로부터의 플라스틱상(11)과 혼합되는 방식으로 형성된다.
이어서, 소위 피크 압력 위치(3d)는 재료에 따른 사전 규정된 기간 동안 유지되고, 따라서 이러한 피크 압력 위치(3d)는 프린트 헤드(100)의 유지 위치(3d)이기도 하다.
방법(200)의 일 개선예에서, 피스톤(3)이 유지 위치(3d)에서 유지되는 단계(340) 동안, 노즐(8)은 폐쇄되고, 피스톤 니들(32)은 용융 공간(81) 내에 잠겨짐으로써, 용융 공간(81)의 상부 영역으로부터의 액체상(12)의 일부가 신장편(7)의 개구(71)들을 통하여 용융 구역(D)으로부터 다시 혼합 구역(C) 내로 변위되기 때문에, 혼합 구역(C) 내에서 액체상(12)의 부분이 가소화 구역(B)으로부터의 플라스틱상(11)과 혼합되는 방식으로 형성된다.
유지 과정(340)을 통해서는 잔류 공기가 변위되고, 용융물(12)이 혼합 구역(C) 내에서 균질화된다. 이를 통해 바람직하게는, 더욱 양호한 에너지 흐름이 달성되고, 더욱 균질한 재료(12)가 생성된다. 역류하는 용융물(12)은 가소성을 갖고, 신장편(7) 내로 이동된 과립부(11)들은 용융물 형태가 된다. 이를 통해, 재료(11, 12)의 혼합이 생성된다.
또한, 본원에 설명된 유지 과정(340)은 프린트 헤드(100)의 시스템 점검을 위해 그리고 분석을 위해 사용되는데, 그 이유는 하기 효과들이 압력(pL)의 압력 측정 시에 나타날 수 있기 때문이다. 용융물(12) 내의 압력(pL)의 압력 상승은, 예를 들어 용융물(12)의 온도(TL)가 너무 높기 때문에 용융물(12)이 가스를 방출한다는 것을 의미할 것이다. 너무 높은 용융 온도(TL)들은, 공기 플라즈마가 생성될 수 있기 때문에 바람직하지 않은데, 이는 재료(12)의 화학적 분해를 야기할 수도 있다.
용융물 압력(pL)의 강한 압력 강하는 예를 들어, 프린트 헤드(100)의 시스템이 누설되고 있거나, 시스템 내의 공기가 여전히 너무 많았음을 의미할 수 있을 것이다. 이러한 효과는, 예를 들어 프린트 헤드(100)의 온도 관리가 최적으로 설정되지 않았기 때문에 공동(40) 내에 냉각된 재료(10)가 너무 많이 존재했던 경우에 발생할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 3D 프린터용 프린트 헤드(100)로서,
    프린트 헤드(100)의 하우징(1) 내에 배열된, 피스톤(3)의 트리거링을 위한 액추에이터 장치(110); 인쇄 가능한 재료(10)를 위한 공급 디바이스(2); 하우징(1) 및 공급 디바이스(2)에 배열된, 냉각 장치(50)를 구비한 플랜지(5); 고체상(10)으로부터 플라스틱상(11)을 거쳐 액체상(12)으로의 재료(10)의 변환을 위한 가열 요소(61, 63)들을 구비한 노즐 헤드(6); 및 노즐 헤드(6)로부터의 재료(10)의 액체상(12)의 인출을 위한 노즐(8);을 포함하는, 3D 프린터용 프린트 헤드에 있어서,
    별도의 피스톤 부싱(4)의 하부 부분 영역(42)에는 신장편(7)이 배열되고, 신장편(7)은 피스톤(3)의 피스톤 니들(32)의 수용을 위한 중심 연장 보어(70)를 포함하고, 신장편(7)은 동심 배열된 개구(71)들을 포함하고, 이러한 개구들은 피스톤 부싱(4) 내에 배열된 공동(40)과 노즐 헤드(6)의 하부 부분(62) 내에 배열된 용융 공간(81) 사이의 유체 연결을 형성하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린트 헤드(100).
  2. 제1항에 있어서,
    재료의 액체상(12)을 제조하기 위한 압축 프로세스(230) 동안 노즐(8)은 폐쇄되고, 피스톤 니들(32)은 용융 공간(81) 내에 잠겨짐으로써, 용융 공간(81)의 상부 영역으로부터의 액체상(12)의 일부가 신장편(7)의 개구(71)들을 통하여 다시 피스톤 부싱(4)의 공동(40) 내로 변위되기 때문에, 액체상(12)의 변위된 부분이 공동(40) 내의 플라스틱상(11)과 혼합되는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린트 헤드(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    프린트 헤드(100)는, 피스톤 부싱(4)의 상부 부분 영역(41)으로부터 시작하여 신장편(7)을 거쳐 노즐(8)에 이르기까지 상태 구역(A, B, C, D, E)들을 포함하고, 상태 구역(A, B, C, D, E)들은 온도(TS)에 따른 재료(10)의 응집 상태를 나타내고, 상태 구역(A, B, C, D, E)들에 걸친 재료(10)의 응집 상태는 고체상(10)으로부터 플라스틱상(11)을 거쳐 액체상(12)으로 변화 가능한 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린트 헤드(100).
  4. 제3항에 있어서,
    프린트 헤드(100)의 상태 구역(A, B, C, D, E)들은 고체상(10)의 재료를 갖는 냉각 구역(A)과, 플라스틱상(11)의 재료를 갖는 가소화 구역(B)과, 액체상(12)의 재료를 갖는 용융 구역(D) 및 프로세스 구역(E)과, 그리고 플라스틱상(11) 및 액체상(12)의 재료를 갖는 혼합 구역(C)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린트 헤드(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    노즐 헤드(6)는 2개의 가열 구역(65, 66)들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린트 헤드(100).
  6. 제5항에 있어서,
    제1 가열 구역(65) 내에는 가소화 구역(B)의 부분 영역, 혼합 구역(C) 및 용융 구역(D)의 부분 영역이 배열되고, 상부 노즐 헤드(60) 내의 제1 가열 요소(61)는, 가열 에너지가 제1 가열 요소(61)로부터 피스톤 부싱(42)의 하부 부분 영역, 신장편(7) 및 상부 노즐 헤드의 부분 섹션(64)을 거쳐 재료(10, 11, 12) 내로 도입 가능한 방식으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린트 헤드(100).
  7. 제6항에 있어서,
    가열 에너지는 제1 가열 요소(61)로부터 신장편(7)을 거쳐 보어(70) 내부의 피스톤 니들(32) 내로 도입 가능한 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린트 헤드(100).
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 가열 구역(66) 내에는 용융 구역(D)의 부분 영역 및 프로세스 구역(E)이 배열되고, 하부 노즐 헤드(62) 내의 제2 가열 요소(63)는, 가열 에너지가 제2 가열 요소(63)로부터 하부 노즐 헤드(62)를 거쳐 재료의 액체상(12) 내로 도입 가능한 방식으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린터용 프린트 헤드(100).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 프린트 헤드(100)의 작동 방법(200)에 있어서,
    방법(200)은 하기 단계들, 즉
    공급 디바이스(2)를 통하여, 인쇄 가능한 재료(10)에 의해 공동(40)을 충전하는 단계(210),
    시작 위치(3a)로부터 시작하여 노즐(8)의 방향으로 피스톤(3)을 전진 이동시킴으로써 피스톤 부싱(4)의 개구 단면(21)을 폐쇄하는 단계(220),
    재료(10)를 압축하는 단계(230),
    재료를 고체상(10)으로부터 액체상(12)으로 변환하는 단계(240),
    피스톤(3)의 종료 위치(3z)에 도달될 때까지 또는 부품(9)의 완성에 이르기까지 3차원 부품(9)의 인쇄를 위한 노즐(8)로부터 재료의 액체상(12)을 인출하는 단계(250),
    피스톤(3)을 시작 위치(3a)로 복귀 이동시키는 단계(260), 그리고
    방법(200)의 종료에 이르기까지 단계(210 내지 260)들을 반복하는 단계(270)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 프린트 헤드(100)의 작동 방법(200).
  10. 제9항에 있어서,
    압축 프로세스(230)는 하기 단계들, 즉
    피스톤(3)의 전진 이동을 통해 재료(10, 11, 12)를 사전 압축하는 단계(310);
    노즐(8)을 폐쇄하는 단계(320);
    피스톤(3)의 전진 이동을 통해 재료(10, 11, 12)를 압축하는 단계(330); 및
    피스톤(3)을 유지 위치(3d)로 유지하는 단계(340);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 프린트 헤드(100)의 작동 방법(200).
  11. 제10항에 있어서,
    압축 단계(330) 동안, 노즐(8)은 폐쇄되고, 피스톤 니들(32)은 용융 공간(81) 내에 잠겨짐으로써, 용융 공간(81)의 상부 영역으로부터의 액체상(12)의 일부가 신장편(7)의 개구(71)들을 통하여 용융 구역(D)으로부터 다시 혼합 구역(C) 내로 변위되기 때문에, 혼합 구역(C) 내에서 액체상(12)의 부분이 가소화 구역(B)으로부터의 플라스틱상(11)과 혼합되는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 프린트 헤드(100)의 작동 방법(200).
  12. 제10항에 있어서,
    피스톤(3)이 유지 위치(3d)에서 유지되는 단계(340) 동안, 노즐(8)은 폐쇄되고, 피스톤 니들(32)은 용융 공간(81) 내에 잠겨짐으로써, 용융 공간(81)의 상부 영역으로부터의 액체상(12)의 일부가 신장편(7)의 개구(71)들을 통하여 용융 구역(D)으로부터 다시 혼합 구역(C) 내로 변위되기 때문에, 혼합 구역(C) 내에서 액체상(12)의 부분이 가소화 구역(B)으로부터의 플라스틱상(11)과 혼합되는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 프린트 헤드(100)의 작동 방법(200).
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