WO2014154641A1 - Verfahren und vorrichtung zum schichtweisen aufbau eines formkörpers - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum schichtweisen aufbau eines formkörpers Download PDF

Info

Publication number
WO2014154641A1
WO2014154641A1 PCT/EP2014/055856 EP2014055856W WO2014154641A1 WO 2014154641 A1 WO2014154641 A1 WO 2014154641A1 EP 2014055856 W EP2014055856 W EP 2014055856W WO 2014154641 A1 WO2014154641 A1 WO 2014154641A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nozzle
piezo
nozzles
print head
ink
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2014/055856
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Laubersheimer
David Schmid
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.)
Ivoclar Vivadent AG
Original Assignee
Ivoclar Vivadent AG
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 Ivoclar Vivadent AG filed Critical Ivoclar Vivadent AG
Priority to US14/779,633 priority Critical patent/US20160059495A1/en
Publication of WO2014154641A1 publication Critical patent/WO2014154641A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

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
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/35—Cleaning
    • 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
    • B29C64/112—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using individual droplets, e.g. from jetting heads
    • 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
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • 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
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/165—Prevention or detection of nozzle clogging, e.g. cleaning, capping or moistening for nozzles
    • B41J2/16517—Cleaning of print head nozzles
    • 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
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2002/14403—Structure thereof only for on-demand ink jet heads including a filter
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/165—Prevention or detection of nozzle clogging, e.g. cleaning, capping or moistening for nozzles
    • B41J2/16517—Cleaning of print head nozzles
    • B41J2002/16567—Cleaning of print head nozzles using ultrasonic or vibrating means

Definitions

  • the present invention relates to a method for the layered structure of a shaped body by means of a 3D inkjet printing process with a piezo-printhead having an ink inlet and a plurality of nozzles connected, de ⁇ NEN each having a piezo-element is assigned to the ⁇ associated nozzle can act to eject ink therefrom, each piezoelectric element of the piezo-printhead of a STEU ⁇ unit is individually controlled to eject ink and their output is monitored by the control unit, wherein in the method of the piezo-printhead controlled by the STEU ⁇ erö is moved over a building area that are triggered piezo elements by the control unit individually to ortselek ⁇ tive application of filled ink, so a layer applied by the control unit of predetermined contour, the applied layer was allowed to cure will and successive application of layers with each predetermined contour of the desired moldings is constructed, as well as a suitable device.
  • the invention aims at the production of ceramic moldings intended to serve as dental restorations.
  • dental CAD / CAM systems it is possible to "automate" dental CAD / CAM systems to produce. After a digital impression taking (scanning the patient's mouth or on a molded duplicate model) of the dentures can, based on the scan data with a milling machine from solid material ge ⁇ mills
  • these abrasive manufacturing processes have the disadvantage that most of the valuable ceramic materials used are lost.
  • the machines used have been expensive and maintenance-intensive.
  • rapid prototyping processes are also used, which are also known by the term “rapid prototyping” or "generative fabrication.”
  • rapid prototyping processes are stereolithography and 3D inkjet printing processes, which are usually are referred to as ink jet printing.
  • the principle of rapid prototyping based on the layered structure of a dreidi ⁇ dimensional molding. in this case, two-dimensional layers, each having a predetermined contour are built up on each other.
  • the printing of polymerizable inks is just one of several methods.
  • the printing of a binder in a powder bed or the printing of liquid waxes are known.
  • 3D inkjet printing processes following the same principle as the classic ink-jet printer known from the office everyday, 3D objects are directly printed by emitting polymerizable model materials ("inks") in defined drops through a piezo printhead that can have multiple nozzles , the ink hardens and so a layer with the ge ⁇ desired printed contour is formed.
  • inks polymerizable model materials
  • piezo print heads can be used which have an ink feed and a plurality of nozzles connected to the ink feed, wherein each nozzle is associated with a piezoelectric element.
  • the piezo elements of the individual nozzles can be controlled separately by a control unit.
  • the piezoelectric elements By applying the piezoelectric elements with control signals, the piezoelectric elements are deliberately deformed in order to eject a discrete drop of the ink through the nozzle with a defined droplet size due to the deformation.
  • the size and volume of the drops as well as the sequence of drops from the nozzle can be determined by the controlling applied electrical impulses.
  • the operating frequency of a piezo element is sufficient due to the geometry of the print head ⁇ and the rheology of the inks to about 20 kHz.
  • the sum of the drops on a substrate results in the ge ⁇ wished defined two-dimensional structure.
  • the nozzles of such a printhead typically have a very small opening which is in the size range of 10 to 100 microns, which is why the ejected drops are consequently very small; their diameter corresponds in first approximation to the opening of the nozzle, their volume is in the picoliter range (10 ⁇ 10 to 10 ⁇ 12 liters). Therefore, it is possible to print in such printing processes very fine structures with high resolution.
  • the 3D inkjet printing as usual ⁇ thin polymerizable liquid, usually photopolymerisier- bare substances are used for this purpose as inks, which are cured on the substrate immediately after impact of the droplets.
  • Inks for such 3D inkjet printing typically contain fillers. Fillers can be, for example color pigment ⁇ elements, opacifiers, etc., which alter the optical properties of sheep ⁇ th of the ink. However, fillers can also influence the flow properties of the ink or control the rheology.
  • Fillers can be, for example color pigment ⁇ elements, opacifiers, etc., which alter the optical properties of sheep ⁇ th of the ink. However, fillers can also influence the flow properties of the ink or control the rheology.
  • the filler particles are in this case the actual building material (eg oxide ceramics).
  • the surrounding liquid is merely a matrix to build these particles with the beschrie ⁇ surrounded technology into a shaped body, wherein the matrix burned out and for obtaining ceramic molded body after completion of the printing process From body is sintered subsequently.
  • the particles do not directly affect the aspect ratios (thicknesses or layer heights), but the mechanical, optical, thermal and electrical properties of the
  • filler ⁇ particles are not only excipients for adjusting certain dimensions or mechanical properties of the molded article, but an essential component of the ink, and act the liquid components of the ink as a kind of carrier substance.
  • the dimensions and mechanical properties of the three-dimensional molded article are better accessible, the higher the solids content in the suspension is thus the more particles are contained th ⁇ as fillers in the ink.
  • the particle sizes are in the range of 0.1 to 1 pm, which are particularly suitable for achieving a high degree of filling.
  • Ceramic-filled inks so-called “slips”, which are suitable for the construction of dental restorations and which can be used in connection with the present invention in 3D ink-jet printing processes, are described in EP 2 233 449 A1. wrote. These inks can be ceramic particles, wax and min ⁇ least contain a radical polymerizable monomer. For further details of these materials, reference is made to said published patent application. The preamble of claim 1 is based on said document EP 2 233 449.
  • the piezo print head is moved out of the construction area. Thereafter, all the nozzles or the nozzle or the nozzles, in which a faulty ejection has been determined, subjected to a nozzle cleaning by driven to each nozzle to be cleaned, the associated piezo element with a control signal having a frequency of at least 20 kHz for generating ultrasonic waves is to crush by the directed by the piezoelectric element to the nozzle Ult ⁇ raschallwellen deposits or clogging in it and to solve.
  • Cavitation is the formation and dissolution of vapor bubbles in liquids due to pressure fluctuations.
  • the ultrasonic field present in the fluid generates len with positive and negative pressure. If such a vacuum wave impinges on an object to be cleaned, cavities filled with steam form on small air bubbles which act as germs.
  • the subsequent high-pressure wave impinges on the cavity, the static pressure in the cavity rises again via the saturation vapor pressure due to its compression.
  • the vapor bubbles condense abruptly with the speed of sound. This results in very high pressure peaks.
  • These cyclically occurring and vanishing cavities can break down and detach deposits in the nozzle.
  • the piezo elements in the immediate vicinity of the hearing supplied ⁇ nozzles are arranged so that they can align ⁇ Ultra sonic energy to the nozzle very effective.
  • the inventive procedure can without device ⁇ technical effort, because the used for cleaning nozzles piezo elements are anyway necessary for the actual inkjet printing process, to ensure that the die or once regularly show signs of Verstop ⁇ levies, after interrupting the Tintenstrahltigvor- gangs can be cleaned in the manner described in order to rid them of deposits, after which the ink jet printing process is continued to build the molding. Since ⁇ by the proper functioning of the piezo print head in the course of ink jet printing process for on ⁇ construction of the molding can be ensured without there may be un ⁇ controlled precipitation of parts of the piezo print head due to clogging. As a result, longer interruptions due to failure or partial malfunction of the piezo print head can be prevented.
  • the piezoelectric elements can be operated to increase the transmitted mechanical energy with voltage pulses of high amplitude and with steep pulse edges (rise and fall times).
  • the periodic control pulses having a Impuls Heidelbergfre ⁇ frequency of at least 20kHz short rise times in the range of 1 to 4 ⁇ is.
  • the sinking times at Be are rich ⁇ 1-4 ⁇ is.
  • the amplitude of the control pulses for Ult ⁇ raschallerzeugung should be as high as possible, preferably we ⁇ iquess 80% of the maximum permissible for the piezoelectric elements Amp ⁇ litude.
  • the ink will jet printing operation, at regular intervals or when signs of blockages of one or show a plurality of nozzles, interrupted briefly method of the piezo print head at a location remote from the building area location and there the Düsenrei ⁇ n Trent affected nozzles by Generation of ultrasonic waves performed by the associated piezoelectric elements, after which the piezo-printhead moved back into the construction area and the only briefly interrupted printing process can be continued.
  • the nozzle cleaning in addition to the application of ultrasound alternately hydrostatic overpressure and underpressure is generated via the nozzle or the nozzle to rinse any dissolved deposits from the nozzle or the nozzle of the piezo-printhead.
  • This application of pressure can be carried out, for example, via a pump that introduces the compressed air into an ink chamber from which lacks the Tintenzu ⁇ course of the piezo print head. Therefore, the set pressure in the ink chamber also determines the pressure of the ink in the nozzles from the ambient pressure.
  • FIG. 1 schematically shows a front view of a piezo print head in cross section
  • FIG. 3 shows a schematic side sectional view of the piezo print head with an associated ink chamber
  • FIG. 4 shows a side sectional view like FIG. 3 when a negative pressure is applied in the ink chamber
  • FIG. 5 shows a side sectional view as in FIG. 3 when an overpressure is applied in the ink chamber
  • FIG. 6 shows a side sectional view of a section of the piezo print head when generating ultrasonic waves through a piezo element
  • FIG. 7 is a side sectional view of a portion of the piezo print head showing the formation of deposits in the nozzle and upstream thereof;
  • Fig. 8 is a sectional side view as in Fig. 7, with the piezo element of the illustrated nozzle generating ultrasonic waves to release the deposits;
  • FIGS. 7 and 8 are sectional side views as in FIGS. 7 and 8, cleaning being assisted by application of negative pressure upstream of the nozzle;
  • Fig. 10 is a side sectional view as in Figs. 7 to 9, wherein the cleaning is supported by applying overpressure upstream of the nozzle and the deposits are thereby flushed out with the ink from the print head,
  • Fig. 11 is a side sectional view as shown in FIGS. 7 to 10, wherein the nozzle works again after performing cleaning, and
  • Fig. 1 shows schematically a piezo print head from the front in a sectional view.
  • the piezo print head 2 has ink feeds 4, which lead to a manifold 5.
  • a plurality of nozzles 6 (only one of which is provided with reference numerals) are connected.
  • Each nozzle 6 has an associated piezo-zo member 8 einwir ⁇ ken can mechanically on the nozzle 6, to eject liquid from the nozzle. 6
  • Each piezo-element 8 is controlled by a control unit individually ans ⁇ teuerbar and is supplied from the control unit with control pulses in order to perform the ejection of droplets for each nozzle 6 is controlled indivi ⁇ duel.
  • FIG. 2 shows a schematic section through the piezo printhead with a detailed enlargement of the area of a nozzle 6.
  • the piezo print head is provided here with an ink chamber 10 from which ink can be supplied to the ink feeds 4.
  • a negative pressure P M is generated in the ink chamber 10. This negative pressure is necessary to maintain the necessary for the drop generation meniscus in the nozzle, wherein the liquid column in the reservoir is taken into account ⁇ .
  • the relationship applies:
  • Pa p l ller r is the necessary negative pressure to create the meniscus in the capillary (nozzle) and measures usually 2.5 to 10 mbar.
  • Fig. 4 shows a corresponding sectional view as in Fig. 3, where ⁇ at the pressure in the ink chamber is now further reduced below the pressure P M.
  • FIG. 5 shows the situation in which the ink chamber is supplied with an overpressure via P M.
  • the overpressure is high enough, the ink is forced out of the nozzle as a jet of liquid.
  • Fig. 6 shows a detail of the piezo print head initli ⁇ chen-section, wherein the piezoelectric element is excited 8 from the Steuerein ⁇ standardized for generating ultrasonic waves having a frequency of at least 20 kHz here.
  • the expanding in the ink ⁇ liquid and also in the direction of the nozzle 6 ultrasonic waves are schematically illustrated.
  • the nozzle of the piezo print head to be cleaned in regular intervals or re ⁇ be then purified, if it is determined that a nozzle is clogged partially or entirely.
  • the control device of the piezo print head can monitor the function of the nozzles. This can be for example by detecting the pressure in the ink liquid ⁇ ness of the nozzle 6 upstream effected. Another possible ⁇ ness is that the controller captures the image of the printed ink and analyzed for points to where by lack of fluid discharge from a nozzle a un ⁇ complete print result has been achieved. If one or more nozzles are detected as disturbed, the piezo print head is moved out of the construction area of the Formkör ⁇ pers just to be built and subjected all its nozzles or only as disturbed in their function detected a nozzle cleaning.
  • the sequence of the nozzle cleaning is shown schematically in the sequence of lateral sectional views in FIGS. 7 to 10.
  • Fig. 7 the situation has occurred that a nozzle is partially blocked by deposits.
  • the control unit enables the piezoelectric element 8 with high-frequency control pulses in vibrations, so that the piezoelectric element emits ultrasonic waves at frequencies of at least 20 kHz.
  • the ultrasonic waves propagate in the ink liquid as shown in FIG.
  • the nozzle cleaning is supported by an alternating pressurization of the ink chamber with negative and positive pressure, so that a pulsating, reciprocating flow is generated through the nozzle through which the dissolved deposits are to be rinsed ⁇ .
  • This alternating supply of negative pressure and positive pressure ink to the ink is shown schematically in Figs. 9 and 10, in which a negative pressure is applied in Fig. 9 which draws ink from the nozzle up and air bubbles through the nozzle into the manifold and the ink inlet , As a result of the subsequent supply of the overprinted ink in FIG. 10, ink is forced out through the nozzle 6 in a liquid jet, thereby washing away dissolved parts of the deposits.
  • the pulsating supply of the ink with Un ⁇ tertik and overpressure as shown in FIGS. 9 and 10 can be done alternately, for example, with a frequency of 0.1 to 1 Hz.
  • the piezoelectric elements can be operated to increase the transmitted mechanical energy with high amplitude voltage pulses and steep pulse edges (short rise and fall times).
  • the pulse shape may in this case correspond to a trapezoidal shape (see Fig. 12), where Rt is the rise time, holding time, and the Ht Ft correspond to the Absink ⁇ time of the pulse.
  • the Ans ⁇ tiegs- and sinking times can assume values in the range of 1 to 4 ps, the holding times measure usually 0 to 15 ps.
  • the amplitude U depends on the present print head and the corresponding the piezo elements and should be at least 80% of the maximum for the specific printhead electrical voltage. Depending on the printhead, values from 20 to 200 V are applied.
  • T corresponds to the period and is the reciprocal of the resulting frequency. At min. 20 kHz, the period is therefore max. 50 ps.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers mittels eines 3D-Tintenstrahldruckverfahrens mit einem Piezo-Druckkopf (2) mit mehreren Düsen (6), denen jeweils ein Piezo-Element (8) zugeordnet ist, das auf die zugehörige Düse einwirken kann, um Tinte daraus auszustoßen. Der Piezo-Druckkopf (2) wird gesteuert von einer Steuereinheit über ein Baugebiet verfahren, die Piezo-Elemente werden dabei individuell zur ortselektiven Aufbringung von gefüllter Tinte angesteuert, um so eine Schicht mit von der Steuereinheit vorgegebener Kontur aufzubringen. Die aufgebrachte Schicht wird aushärten gelassen und durch aufeinanderfolgende Aufbringung von Schichten mit jeweils vorgegebener Kontur wird der gewünschte Formkörper aufgebaut. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, nach einer vorgegeben Anzahl von gedruckten Schichten und/oder falls die Steuereinheit bei einer Düse (6) des Piezo-Druckkopfs (2) einen verminderten Ausstoß von Tinte erfasst, den Piezo-Druckkopf aus dem Baugebiet herauszufahren, anschließend die Düse oder Düsen mit vermindertem Ausstoß oder alle Düsen des Piezo-Druckkopfs einer Düsenreinigung zu unterziehen, indem das oder die Piezo-Elemente (8) der zu reinigenden Düsen mit einer Frequenz von wenigstens 20 kHz zur Erzeugung von Ultraschallwellen angeregt werden, um eventuelle Ablagerungen in der Düse zu zerkleinern und zu lösen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers mittels eines 3D-Tinten- strahldruckverfahrens mit einem Piezo-Druckkopf , der einen Tintenzulauf und mehrere damit verbundene Düsen aufweist, de¬ nen jeweils ein Piezo-Element zugeordnet ist, das auf die zu¬ gehörige Düse einwirken kann, um Tinte daraus auszustoßen, wobei jedes Piezo-Element des Piezo-Druckkopfes von einer Steu¬ ereinheit individuell zum Ausstoß von Tinte ansteuerbar ist und ihr Ausstoß von der Steuereinheit überwacht wird, wobei bei dem Verfahren der Piezo-Druckkopf gesteuert von der Steu¬ ereinheit über ein Baugebiet verfahren wird, die Piezo- Elemente dabei von der Steuereinheit individuell zur ortselek¬ tiven Aufbringung von gefüllter Tinte angesteuert werden, um so eine Schicht mit von der Steuereinheit vorgegebener Kontur aufzubringen, die aufgebrachte Schicht aushärten gelassen wird und durch aufeinanderfolgende Aufbringung von Schichten mit jeweils vorgegebener Kontur der gewünschte Formkörper aufgebaut wird, sowie auf eine dazu geeignete Vorrichtung.
Insbesondere zielt die Erfindung auf die Herstellung keramischer Formteile ab, die als Dentalrestaurationen dienen sollen. Seit einigen Jahren besteht die Möglichkeit, Zahnersatz „automatisiert" mit CAD/CAM-Systemen herzustellen. Nach einer digitalen Abdrucknahme (Scannen im Mund des Patienten oder an einem abgeformten Duplikatmodell) kann der Zahnersatz auf Basis der Scandaten mit einer Fräsmaschine aus Vollmaterial ge¬ fräst bzw. geschliffen werden. Diese abtragenden Herstellungsverfahren haben allerdings den Nachteil, dass der größte Teil der eingesetzten, wertvollen Keramikmaterialien verloren geht. Darüber hinaus sind die eingesetzten Maschinen bislang teuer und wartungsintensiv.
Neben den abtragenden Verfahren werden auch sogenannte „aufbauende Verfahren" eingesetzt, die auch unter dem Begriff „Ra- pid-Prototyping" oder „generative Fertigung" bekannt sind. Beispiele für Rapid-Prototyping-Verfahren sind die Stereolithographie und 3D-Tintenstrahldruckverfahren, die meist als Ink Jet Printing bezeichnet werden. Das Prinzip des Rapid- Prototyping beruht auf dem schichtweisen Aufbau eines dreidi¬ mensionalen Formteils. Dabei werden zweidimensionale Schichten mit jeweils vorgegebener Kontur aufeinander aufgebaut.
Unter den 3D-Tintenstrahldruckverfahren ist das Drucken poly- merisierbarer Tinten nur eines von mehreren Verfahren. Daneben sind auch das Drucken eines Binders in ein Pulverbett oder das Drucken flüssiger Wachse bekannt. Bei den 3D- Tintenstrahldruckverfahren werden, demselben Prinzip wie die aus dem Büroalltag bekannten klassischen Tintenstrahldrucker folgend, direkt 3D-0bjekte gedruckt, indem durch einen Piezo- Druckkopf, der mehrere Düsen aufweisen kann, polymerisierbare Modellmaterialien („Tinten") in definierten Tropfen abgegeben werden, die Tinte aushärtet und so eine Schicht mit der ge¬ wünschten gedruckten Kontur gebildet wird.
Beim Tintenstrahldrucken können Piezo-Druckköpfe eingesetzt werden, die einen Tintenzulauf und eine Mehrzahl von mit dem Tintenzulauf verbundenen Düsen aufweisen, wobei jeder Düse ein Piezoelement zugeordnet ist. Die Piezoelemente der einzelnen Düsen sind von einer Steuereinheit separat ansteuerbar. Durch Beaufschlagung der Piezoelemente mit Steuersignalen werden die Piezoelemente gezielt verformt, um durch die Verformung einen diskreten Tropfen der Tinte durch die Düse mit definierter Tropfengröße auszustoßen. Größe und Volumen der Tropfen sowie die Tropfenabfolge aus der Düse lassen sich dabei durch die angelegten elektrischen Impulse steuern. Die Arbeitsfrequenz eines Piezoelements reicht aufgrund der Geometrie des Druck¬ kopfes und der Rheologie der Tinten in der Regel bis etwa 20 kHz . Die Summe der Tropfen auf einem Substrat ergibt die ge¬ wünschte definierte zweidimensionale Struktur.
Die Düsen eines solchen Druckkopfes haben typischerweise eine sehr kleine Öffnung, die im Größenbereich von 10 bis 100 pm liegt, weshalb die ausgestoßenen Tropfen konsequenterweise sehr klein sind; ihr Durchmesser entspricht in erster Näherung der Öffnung der Düse, ihr Volumen liegt im Pikoliter-Bereich (10~10 bis 10~12 Liter) . Daher ist es möglich, in solchen Druckprozessen sehr feine Strukturen mit hoher Auflösung zu drucken. Im Fall des 3D-Tintenstrahldrucks werden dazu üblicher¬ weise dünnflüssige, polymerisierbare, meist photopolymerisier- bare Substanzen als Tinten eingesetzt, die unmittelbar nach Auftreffen der Tropfen auf dem Substrat ausgehärtet werden. Typischerweise geschieht das, indem ein oder mehrere Druckköp¬ fe über ein Substrat hinwegbewegt werden, die eine flächige Struktur bestehend aus einer Vielzahl aneinander gereihter Tropfen einer mit Photoinitiatoren versehenen polymerisierba- ren Tinte drucken, und nachfolgend (oder parallel dazu) eine Belichtung mit einer Lichtquelle durchgeführt wird, die Licht mit einer geeigneten Wellenlänge emittiert, um das photopoly- merisierbare Material der Tinte zu polymerisieren .
Tinten für solche 3D-Tintenstrahldruckverfahren enthalten in der Regel Füllstoffe. Füllstoffe können zum Beispiel Farbpig¬ mente, Trübungsmittel etc. sein, die die optischen Eigenschaf¬ ten der Tinte verändern. Durch Füllstoffe können aber auch die Fließeigenschaften der Tinte beeinflusst oder die Rheologie gesteuert werden. Im Fall des 3D-Tintenstrahldruckens zum Auf¬ bau von keramischen Formkörpers sind Füllstoffpartikel notwen¬ dig. Die Füllstoffpartikel sind in diesem Fall das eigentliche Baumaterial (z.B. Oxidkeramik). Die sie umgebende Flüssigkeit ist lediglich die Matrix, um diese Partikel mit der beschrie¬ benen Technik zu einem Formkörper aufzubauen, wobei die Matrix zum Erhalt keramischer Formkörper nach abgeschlossenem Druckprozess ausgebrannt und der Fromkörper anschliessend gesintert wird. Die Partikel beeinflussen dabei die Aspektverhältnisse (Dicken bzw. Schichthöhen) nicht direkt, jedoch die mechanischen, optischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften des Formkörpers.
Möchte man 3D-Formkörper aus einem bestimmten Material, wie zum Beispiel Metall oder Keramik, erzeugen, so sind Füllstoff¬ partikel nicht nur Hilfsstoffe zum Einstellen bestimmter Dimensionen oder mechanischen Eigenschaften des Formkörpers, sondern essentieller Bestandteil der Tinte, und die flüssigen Bestandteile der Tinte fungieren als eine Art Trägersubstanz. Dabei sind in erster Näherung die Dimensionen und mechanischen Eigenschaften des dreidimensionalen Formkörpers umso besser erreichbar, je höher der Feststoffanteil in der Suspension ist, also je mehr Partikel als Füllstoffe in der Tinte enthal¬ ten sind. Typischerweise liegen die Teilchengrößen im Bereich von 0,1 bis 1 pm, die sich insbesondere zum Erreichen eines hohen Füllgrades eignen. Ein hoher Anteil an FeststoffParti¬ keln kann sich jedoch auf zweierlei Weise negativ auf die Tinte bzw. in der Folge auf den Tropfenausstoß/Druckprozess aus¬ wirken. Zum einen nimmt die Viskosität der Tinte mit zunehmendem Füllgrad zu und damit verschlechtern sich die Fließeigenschaften der Tinte. Zum anderen besteht die Gefahr, dass die feinen Düsen verstopft oder teilweise zugesetzt werden, wo¬ durch der Tropfenausstoß verhindert oder behindert werden kann .
Keramikgefüllte Tinten, sogenannte „Schlicker", die sich zum Aufbau von Dentalrestaurationen eignen und die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung in 3D-Tintenstrahl- druckverfahren verwendbar sind, sind in EP 2 233 449 AI be- schrieben. Diese Tinten können Keramikpartikel, Wachs und min¬ destens ein radikales polymerisierbares Monomer enthalten. Zu weiteren Einzelheiten dieser Materialien wird auf die genannte veröffentlichte Patentanmeldung verwiesen. Auf dem genannten Dokument EP 2 233 449 basiert der Oberbegriff von Anspruch 1.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein 3D- Tintenstrahldruckverfahren zum Aufbau von Formkörpern und eine dazu dienende Vorrichtung so zu verbessern, dass das Verfahren und die Vorrichtung auch bei Verwendung gefüllter Tinten sicher und störungsfrei anwendbar sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und die Vorrichtung mit den Merkma¬ len des Patentanspruchs 6. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Piezo-Druckkopf nach dem Drucken einer vorgebbaren Anzahl von Schichten oder falls eine Überwachung der Düsen des Piezo-Druckkopfes ergibt, dass eine oder mehrere Düsen einen gestörten Ausstoß zeigen, aus dem Baugebiet herausgefahren wird. Daraufhin werden alle Düsen oder die Düse oder die Düsen, bei denen ein gestörter Ausstoß festgestellt worden ist, einer Düsenreinigung unterzogen, indem zu jeder zu reinigenden Düse das zugehörige Piezo-Element mit einem Steuersignal mit einer Frequenz von wenigstens 20 kHz zur Erzeugung von Ultraschallwellen angesteuert wird, um durch die von dem Piezo-Element auf die Düse gerichteten Ult¬ raschallwellen Ablagerungen oder Verstopfungen darin zu zerkleinern und zu lösen.
Das Wirkungsprinzip einer solchen Reinigung basiert auf Kavitation. Unter Kavitation versteht man die Bildung und Auflösung von Dampfblasen in Flüssigkeiten durch Druckschwankungen. Das in der Flüssigkeit vorhandene Ultraschallfeld erzeugt Wel- len mit Über- und Unterdruck. Trifft eine solche Unterdruckwelle auf einen zu reinigenden Gegenstand, bilden sich an kleinen, als Keime fungierenden Luftbläschen mit Dampf gefüllte Hohlräume. Beim Auftreffen der darauf folgenden Hochdruckwelle auf den Hohlraum steigt der statische Druck im Hohlraum durch dessen Kompression wieder über den Sättigungsdampfdruck. Dadurch kondensieren die Dampfblasen schlagartig mit Schallgeschwindigkeit. Dabei entstehen sehr hohe Druckspitzen. Diese zyklisch entstehenden und verschwindenden Hohlräume können Ablagerungen in der Düse zerkleinern und ablösen. Außerdem sind die Piezo-Elemente in unmittelbarer Nachbarschaft zu den zuge¬ hörigen Düsen angeordnet, so dass sie sehr effektiv Ultra¬ schallenergie auf die Düsen richten können.
Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise kann ohne geräte¬ technischen Mehraufwand, denn die zur Düsenreinigung eingesetzten Piezo-Elemente sind ja sowieso für den eigentlichen Tintenstrahldruckvorgang nötig, sichergestellt werden, dass die Düsen regelmäßig oder sobald sich Anzeichen für Verstop¬ fungen zeigen, nach Unterbrechung des Tintenstrahldruckvor- gangs in der beschriebenen Weise gereinigt werden können, um sie von Ablagerungen zu befreien, wonach der Tintenstrahldruckvorgang zum Aufbau des Formkörpers fortgesetzt wird. Da¬ durch kann die einwandfreie Funktionsfähigkeit des Piezo- Druckkopfes im Verlaufe des Tintenstrahldruckvorgangs zum Auf¬ bau des Formkörpers sichergestellt werden, ohne dass es zu un¬ kontrollierten Ausfällen von Teilen des Piezo-Druckkopfes aufgrund von Verstopfungen kommen kann. Dadurch können längere Unterbrechungen durch Ausfall oder teilweise Funktionsstörung des Piezo-Druckkopfes verhindert werden. Ferner kann die Hers¬ tellung schadhafter Formkörper verhindert werden, die entstehen können, wenn zu lange mit einem durch verstopfte Düsen teilweise funktionsgestörten Piezo-Druckkopf gedruckt wird. Zur Ausführung der Reinigungsfunktion können die Piezoelemente zur Erhöhung der übertragenen mechanischen Energie mit Spannungsimpulsen hoher Amplitude und mit steilen Impulsflanken (Anstiegs- und Absinkzeiten) betrieben werden. Vorzugsweise haben die periodischen Steuerimpulse mit einer Impulsfolgefre¬ quenz von wenigstens 20kHz kurze Anstiegszeiten im Bereich von 1 bis 4 \is . Vorzugsweise liegen auch die Absinkzeiten im Be¬ reich von 1 bis 4 \is . Die Amplitude der Steuerimpulse zur Ult¬ raschallerzeugung sollte möglichst hoch sein, vorzugsweise we¬ nigstens 80% der für die Piezoelemente maximal zulässigen Amp¬ litude .
Bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird der Tinten- strahldruckvorgang, in regelmäßigen Abständen oder wenn sich erste Anzeichen von Verstopfungen einer oder mehrerer Düsen zeigen, kurz unterbrochen, der Piezo-Druckkopf an einen von dem Baugebiet entfernten Ort verfahren und dort die Düsenrei¬ nigung betroffener Düsen durch Erzeugung von Ultraschallwellen durch die zugehörigen Piezo-Elemente durchgeführt, wonach der Piezo-Druckkopf wieder zurück in das Baugebiet verfahren und der nur kurz unterbrochene Druckvorgang fortgesetzt werden kann .
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei der Düsenreinigung zusätzlich zu der Anwendung von Ultraschall alternierend hydrostatischer Über- und Unterdruck über die Düse oder die Düsen erzeugt wird, um gelöste Ablagerungen aus der oder den Düsen des Piezo-Druckkopfes fort zuspülen . Diese Druckanwendung kann zum Beispiel über eine Pumpe erfolgen, die Druckluft in eine Tintenkammer einführt, von der der Tintenzu¬ lauf des Piezo-Druckkopfes abgeht. Der eingestellte Druck in der Tintenkammer bestimmt daher auch den Druck der Tinte in den Düsen gegenüber dem Umgebungsdruck. Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbei¬ spiels in den Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 schematisch eine Frontansicht eines Piezo-Druckkopfes im Querschnitt zeigt,
Fig. 2 eine Seitenansicht des Piezo-Druckkopfes mit einer De¬ tailvergrößerung zeigt,
Fig. 3 eine schematische seitliche Schnittansicht des Piezo- Druckkopfes mit einer zugehörigen Tintenkammer zeigt,
Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht wie Fig. 3 bei Anlegen eines Unterdrucks in der Tintenkammer zeigt,
Fig. 5 eine seitliche Schnittansicht wie in Fig. 3 bei Anlegen eines Überdrucks in der Tintenkammer zeigt,
Fig. 6 eine seitliche Schnittansicht eines Ausschnitts des Piezo-Druckkopfes bei Erzeugen von Ultraschallwellen durch ein Piezo-Element zeigt,
Fig. 7 eine seitliche Schnittansicht eines Ausschnitts des Piezo-Druckkopfes zeigt, in der die Bildung von Ablagerungen in der Düse und stromaufwärts davon gezeigt ist,
Fig. 8 eine seitliche Schnittansicht wie Fig. 7 zeigt, wobei das Piezo-Element der dargestellten Düse Ultraschallwellen erzeugt, um die Ablagerungen zu lösen,
Fig. 9 eine seitliche Schnittansicht wie Fig. 7 und 8 zeigt, wobei die Reinigung durch Anlegen von Unterdruck stromaufwärts der Düse unterstützt wird, Fig. 10 eine seitliche Schnittansicht wie in den Fig. 7 bis 9 zeigt, wobei die Reinigung durch Anlegen von Überdruck stromaufwärts der Düse unterstützt wird und die Ablagerungen da¬ durch mit der Tinte aus dem Druckkopf herausgespült werden,
Fig. 11 eine seitliche Schnittansicht wie in den Fig. 7 bis 10 zeigt, wobei die Düse nach durchgeführter Reinigung wieder normal arbeitet, und
Fig.12 die Impulsform eines die Piezoelemente beim Reinigungs¬ vorgang ansteuernden Steuersignals zeigt.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Piezo-Druckkopf von vorne in einer Schnittansicht. Der Piezo-Druckkopf 2 hat Tintenzuläufe 4, die zu einer Sammelleitung 5 führen. Mit der Sammelleitung 5 sind eine Mehrzahl von Düsen 6 (von denen nur eine mit Bezugzeichen versehen ist) verbunden. Jeder Düse 6 ist ein Pie- zo-Element 8 zugeordnet, das mechanisch auf die Düse 6 einwir¬ ken kann, um Flüssigkeit aus der Düse 6 auszustoßen. Jedes Piezo-Element 8 ist von einer Steuereinheit individuell ans¬ teuerbar und wird von der Steuereinheit mit Steuerimpulsen versorgt, um den Ausstoß von Tropfen für jede Düse 6 indivi¬ duell gesteuert durchzuführen.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch den Piezo- Druckkopf mit einer Detailvergrößerung im Bereich einer Düse 6. Durch die Steuereinheit wird jedes Piezoelement 8 mit Span¬ nungsimpulsen gesteuert, die eine gesteuerte Ausdeh¬ nung/Kontraktion des Piezoelements 8 bewirken. Diese Ausdehnungsänderung wird mechanisch auf die Tinte im Bereich stromaufwärts der Düse 6 übertragen, um so durch einen gezielten Steuerimpuls auf das Piezoelement 8 den Ausstoß eines Tropfens Tinte aus der Düse 6 zu bewirken. In Fig. 3 ist eine weitere Schnittansicht des Piezo- Druckkopfes gezeigt. Der Piezo-Druckkopf ist hier mit einer Tintenkammer 10 versehen, aus der Tinte in die Tintenzuläufe 4 zugeführt werden kann. In der Tintenkammer 10 wird ein Unterdruck PM erzeugt. Dieser Unterdruck ist zur Aufrechterhaltung des für die Tropfenerzeugung notwendigen Meniskus in der Düse notwendig, wobei die Flüssigkeitssäule im Reservoir zu berück¬ sichtigen ist. Für diesen Unterdruck gilt die Beziehung:
PM~- ( Papillär+ P* g * h) , wobei p die Dichte der Tinte, g die Erdbeschleunigung und h die Höhe des Flüssigkeitsspiegels in der Tintenkammer über dem Düsenausgang ist. Papillär ist der notwendige Unterdruck um den Meniskus in der Kapillare (Düse) zu erzeugen und misst in der Regel 2.5 bis 10 mbar .
Fig. 4 zeigt eine entsprechende Schnittansicht wie Fig. 3, wo¬ bei der Druck in der Tintenkammer nun unter den Druck PM weiter erniedrigt ist. Durch Anlegen eines starken Unterdrucks wird Luft durch die Düsen angesogen. Dabei wird die Tinte aus der Düse zurückgezogen und wird die Tropfengenerierung verhindert.
In Fig. 5 ist die Situation dargestellt, in der die Tintenkammer mit einem Überdruck über PM versorgt ist. Wenn der Überdruck hoch genug ist, wird die Tinte als Flüssigkeitsstrahl aus der Düse gedrückt .
Die Erzeugung von Über- oder Unterdruck in der Tintenkammer kann zum Beispiel durch eine steuerbare Pumpe oder eine andere steuerbare Luftdruckquelle erfolgen, die mit der Tintenkammer über eine Leitung verbunden ist und die von der Steuereinheit gesteuert wird. Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt des Piezo-Druckkopfes im seitli¬ chen Schnitt, wobei hier das Piezoelement 8 von der Steuerein¬ heit zur Erzeugung von Ultraschallwellen mit einer Frequenz von wenigstens 20 kHz angeregt wird. Die sich in der Tinten¬ flüssigkeit und auch in Richtung der Düse 6 ausdehnenden Ultraschallwellen sind schematisch dargestellt.
In Fig. 7 ist der Ausschnitt des Piezo-Druckkopfes wiederum im Schnitt gezeigt, wobei hier angedeutet ist, dass sich im Bo¬ denbereich der Sammelleitung und im Bereich der Düse Ablagerungen gebildet haben. Aufgrund dieser Ablagerungen ist die Düse 6 teilweise verstopft und ihre Funktion daher gestört.
Es ist vorgesehen, dass die Düsen des Piezo-Druckkopfes in re¬ gelmäßigen Abständen gereinigt werden oder dann gereinigt werden, wenn festgestellt wird, dass eine Düse teilweise oder ganz verstopft ist. Die Steuereinrichtung des Piezo- Druckkopfes kann die Funktion der Düsen überwachen. Dies kann zum Beispiel durch Erfassung des Druckes in der Tintenflüssig¬ keit stromaufwärts der Düse 6 erfolgen. Eine andere Möglich¬ keit besteht darin, dass die Steuereinrichtung das Bild der ausgedruckten Tinte erfasst und auf Stellen hin untersucht, wo durch mangelnden Flüssigkeitsaustritt aus einer Düse ein un¬ vollständiges Druckergebnis erreicht worden ist. Falls eine oder mehrere Düsen als gestört erfasst werden, wird der Piezo- Druckkopf aus dem Baugebiet des gerade aufzubauenden Formkör¬ pers herausgefahren und alle seine Düsen oder nur die als in ihrer Funktion gestört erfassten einer Düsenreinigung unterzogen .
Der Ablauf der Düsenreinigung ist schematisch in der Folge der seitlichen Schnittdarstellungen in den Fig. 7 bis 10 dargestellt. In Fig. 7 ist die Situation eingetreten, dass eine Düse durch Ablagerungen teilweise verstopft ist. Zu Beginn der Dü¬ senreinigung versetzt die Steuereinheit das Piezoelement 8 mit hochfrequenten Steuerimpulsen in Schwingungen, so dass das Piezoelement Ultraschallwellen mit Frequenzen von wenigstens 20 kHz ausstrahlt. Die Ultraschallwellen pflanzen sich in der Tintenflüssigkeit fort, wie in Fig. 8 dargestellt. Durch in der Tintenflüssigkeit erzeugte Kavitation erfolgt eine mecha¬ nische Einwirkung auf die Materialablagerungen, die dadurch zerkleinert und abgelöst werden.
Die Düsenreinigung wird unterstützt durch eine alternierende Beaufschlagung der Tintenkammer mit Unter- und Überdruck, so dass eine pulsierende, hin- und hergehende Strömung durch die Düse erzeugt wird, durch die die gelösten Ablagerungen fort¬ gespült werden sollen. Diese alternierende Versorgung der Tinte mit Unterdruck und Überdruck ist schematisch in den Fig. 9 und 10 dargestellt, in denen in Fig. 9 ein Unterdruck angelegt ist, der Tinte aus der Düse nach oben und Luftblasen durch die Düse in die Sammelleitung und den Tintenzulauf ansaugt. Durch die nachfolgende Versorgung der Tinte mit Überdruck in Fig. 10 wird Tinte durch die Düse 6 in einem Flüssigkeitsstrahl nach außen gedrückt, wodurch gelöste Teile der Ablagerungen fortgespült werden. Die pulsierende Versorgung der Tinte mit Un¬ terdruck und Überdruck wie in den Fig. 9 und 10 dargestellt kann zum Beispiel mit einer Frequenz von 0,1 bis 1 Hz alternierend erfolgen.
Zur Ausführung der Reinigungsfunktion können die Piezoelemente zur Erhöhung der übertragenen mechanischen Energie mit Spannungsimpulsen hoher Amplitude und mit steilen Impulsflanken (kurze Anstiegs- und Absinkzeiten) betrieben werden. Die Pulsform kann dabei einer Trapezform entsprechen (siehe Fig. 12), wobei Rt der Anstiegszeit, Ht der Haltezeit und Ft der Absink¬ zeit des Pulses entsprechen. Je nach Druckkopf können die Ans¬ tiegs- und Absinkzeiten Werte im Bereich von 1 bis 4 ps annehmen, die Haltezeiten messen in der Regel 0 bis 15 ps . Die Amplitude U hängt vom vorliegenden Druckkopf und den entsprechen- den Piezoelementen ab und sollte mindestens 80% der für den spezifischen Druckkopf maximalen elektrischen Spannung betragen. Je nach Druckkopf werden dafür Werte von 20 bis 200 V angelegt. T entspricht der Periodendauer und ist der Kehrwert der resultierenden Frequenz. Bei min. 20 kHz beträgt die Periodendauer daher max . 50 ps .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers mittels eines 3D-Tintenstrahldruckverfahrens mit einem Pie¬ zo-Druckkopf (2), der einen Tintenzulauf (4) und mehrere damit verbundene Düsen (6) aufweist, denen jeweils ein Piezo-Element (8) zugeordnet ist, das auf die zugehörige Düse einwirken kann, um Tinte daraus auszustoßen, wobei jedes Piezo-Element des Piezo-Druckkopfes von einer Steu¬ ereinheit individuell zum Ausstoß von Tinte ansteuerbar ist und ihr Ausstoß von der Steuereinheit überwacht wird, wobei bei dem Verfahren der Piezo-Druckkopf (2) gesteuert von der Steuereinheit über ein Baugebiet verfahren wird, die Piezo-Elemente dabei von der Steuereinheit indivi¬ duell zur ortselektiven Aufbringung von gefüllter Tinte angesteuert werden, um so eine Schicht mit von der Steu¬ ereinheit vorgegebener Kontur aufzubringen, die aufgebrachte Schicht aushärten gelassen wird und durch aufei¬ nanderfolgende Aufbringung von Schichten mit jeweils vorgegebener Kontur der gewünschte Formkörper aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, nach einer vorgegeben Anzahl von gedruckten Schichten und/oder falls die Steuereinheit bei einer Düse (6) des Piezo-Druckkopfs (2) einen verminder¬ ten Ausstoß von Tinte erfasst, den Piezo-Druckkopf aus dem Baugebiet herauszufahren, anschließend die Düse oder Düsen mit vermindertem Ausstoß oder alle Düsen des Piezo- Druckkopfs einer Düsenreinigung zu unterziehen, indem das oder die Piezo-Elemente (8) der zu reinigenden Düsen mit einer Frequenz von wenigstens 20 kHz zur Erzeugung von Ultraschallwellen angeregt werden, um eventuelle Ablagerungen in der Düse zu zerkleinern und zu lösen. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Düsenreinigung zusätzlich zur Ultraschallanwendung alternierend hydrostatischer Über- und Unterdruck über die Düse oder Düsen erzeugt werden, um gelöste Abla¬ gerungen aus der oder den Düsen des Piezo-Druckkopfes (2) fort zuspülen .
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Düsenreinigung die Piezoelemente (8) mit periodi¬ schen Steuerimpulsen mit kurzen Anstiegszeiten (Rt) im Bereich 1 bis 4 angesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Düsenreinigung die Piezoelemente (8) mit periodischen Steuerimpulsen mit kurzen Absinkzeiten (Ft) im Bereich 1 bis 4 angesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Steuerimpulse zur Düsenreinigung wenigstens 80% der für die Piezoelemente (8) maximal zulässigen Amplitude beträgt.
Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers mit einem 3D-Tintenstrahldruckverfahren mit einem Piezo- Druckkopf (2), der einen Tintenzulauf (4) und mehrere da¬ mit verbundene Düsen (6) aufweist, denen jeweils ein Pie- zo-Element (8) zugeordnet ist, das auf die zugehörige Düse (6) einwirken kann, um Tinte daraus auszustoßen, einer Steuereinheit, durch die die Piezo-Elemente (8) des Piezo- Druckkopfes (2) individuell zum Ausstoß von Tinte durch die zugehörige Düse ansteuerbar sind, und mit Einrichtun¬ gen zur Überwachung der Funktion der Düsen durch die Steuereinheit, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, beim Aufbau eines Formkörpers den Piezo-Druckkopf über ein Baugebiet zu verfahren, die Piezo-Elemente individuell zur ortsselektiven Abgabe von gefüllter Tinte durch die zugehörigen Düsen anzusteuern, um so eine Schicht mit von der Steuereinheit vorgegebener Kontur aufzubringen, und durch aufeinanderfolgende Aufbringungen von Schichten mit je¬ weils vorgegebener Kontur den gewünschten Formkörper aufzubauen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung weiter dazu eingerichtet ist, nach einer vorgegebenen Anzahl von gedruckten Schichten und/oder falls die Steuereinheit bei einer Düse (6) des Piezo-Druckkopfs (2) einen verminderten Ausstoß von Tinte erfasst, den Piezo- Druckkopf aus dem Baugebiet für den Formkörper herauszu¬ fahren und anschließend die Düse oder die Düsen mit ver¬ mindertem Ausstoß oder alle Düsen des Piezo-Druckkopfes einer Düsenreinigung zu unterziehen, indem das oder die Piezo-Elemente (8) der zu reinigenden Düsen
(6) mit einer Frequenz von wenigstens 20 kHz zur Erzeugung von Ultraschallwellen angeregt wird, um eventuelle Ablagerungen in der Düse zu zerkleinern und zu lösen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbare Druckerzeugungseinrichtung vorhanden ist, die auf die Tinte in dem Tintenzulauf (4) und in den Dü¬ sen (6) einwirkt, und die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, im Zusammenhang mit einer Düsenreinigung alternierend Unter- und Überdruck über die zu reinigenden Düsen anzulegen, so dass durch einen pulsierend hin- und herge¬ henden Tintenstrom durch die Düse oder die Düsen Ablagerungen fortgespült werden.
PCT/EP2014/055856 2013-03-28 2014-03-24 Verfahren und vorrichtung zum schichtweisen aufbau eines formkörpers Ceased WO2014154641A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/779,633 US20160059495A1 (en) 2013-03-28 2014-03-24 Method and device for constructing a shaped body layer-by-layer

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP13161676.5 2013-03-28
EP13161676.5A EP2783837B1 (de) 2013-03-28 2013-03-28 Verfahren und Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014154641A1 true WO2014154641A1 (de) 2014-10-02

Family

ID=48082881

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2014/055856 Ceased WO2014154641A1 (de) 2013-03-28 2014-03-24 Verfahren und vorrichtung zum schichtweisen aufbau eines formkörpers

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20160059495A1 (de)
EP (1) EP2783837B1 (de)
WO (1) WO2014154641A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2529511A (en) * 2014-06-10 2016-02-24 Burkhard Bustgens Cleaning of nozzles from solidified coating materials
US12409607B2 (en) 2022-09-01 2025-09-09 General Electric Company Gas control systems for purging a printhead manufacturing apparatus

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015193818A1 (en) * 2014-06-16 2015-12-23 Sabic Global Technologies B.V. Crosslinkable polycarbonates for material extrusion additive manufacturing processes
US20180071981A1 (en) * 2015-03-31 2018-03-15 The Regents Of The University Of California System and method for tunable patterning and assembly of particles via acoustophoresis
CN104924620B (zh) * 2015-07-07 2017-06-30 杭州先临三维科技股份有限公司 一种具有多喷嘴的 3d 打印机及其打印方法
CN108290348A (zh) 2015-12-21 2018-07-17 瓦克化学股份公司 通过使用3d打印设备用于生产物体的方法和设备
EP3235467B1 (de) 2016-04-22 2021-03-31 Ivoclar Vivadent AG Verfahren zur herstellung einer dentalrestauration
US11007706B2 (en) * 2016-10-28 2021-05-18 Canon Kabushiki Kaisha Three-dimensional modeling apparatus and method of producing three-dimensionally modeled object
US10195857B1 (en) * 2017-07-12 2019-02-05 Xerox Corporation Recovery of missing jets
US20200282726A1 (en) * 2017-09-28 2020-09-10 Nidec Corporation Liquid agent application device
CN111016437B (zh) * 2019-12-27 2024-11-05 江苏集萃微纳自动化系统与装备技术研究所有限公司 单微孔喷嘴、联排喷头及喷墨打印系统
JP7505309B2 (ja) * 2020-07-23 2024-06-25 セイコーエプソン株式会社 三次元造形装置
DE102021106328B4 (de) * 2021-03-16 2024-01-18 Heidelberger Druckmaschinen Aktiengesellschaft Verfahren zum Reinigen eines Druckkopfes für den Tintendruck
EP4309878A1 (de) * 2022-07-21 2024-01-24 Ivoclar Vivadent AG Verfahren zum reinigen eines druckkopfes
EP4309876A1 (de) * 2022-07-21 2024-01-24 Ivoclar Vivadent AG Verfahren zum verhindern von ablagerungen an einer düsenplatte
FR3159345B1 (fr) * 2024-02-19 2026-01-02 Doliam Invest Buse d'impression pour imprimante

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0911171A1 (de) * 1997-10-22 1999-04-28 Hewlett-Packard Company Reinigen von Druckerdüsen unter Verwendung von Vibrationen
EP0988977A1 (de) * 1998-09-24 2000-03-29 Eastman Kodak Company Ultraschall-Reinigung von Tintenstrahldruckkopfpatronen
EP1095776A1 (de) * 1999-10-29 2001-05-02 SCITEX DIGITAL PRINTING, Inc. Verbessertes Ultraschallreinigungsverfahren für Tintenstrahldrucksysteme
US20060061618A1 (en) * 2004-09-21 2006-03-23 Z Corporation Apparatus and methods for servicing 3D printers
DE102009055966A1 (de) * 2009-11-27 2011-06-01 Voxeljet Technology Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Modelle
WO2011135496A2 (en) * 2010-04-25 2011-11-03 Objet Geometries Ltd. Solid freeform fabrication of shelled objects

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5300958A (en) * 1992-02-28 1994-04-05 Hewlett-Packard Company Method and apparatus for automatically cleaning the printhead of a thermal inkjet cartridge
FR2928405B1 (fr) * 2008-03-05 2011-01-21 Snecma Refroidissement de l'extremite d'une aube.
EP2233449B1 (de) 2009-03-27 2014-12-17 Ivoclar Vivadent AG Verwendung eines Schlickers für die Herstellung von Dentalkeramiken mittels Hot-Melt-Inkjet-Druckverfahren

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0911171A1 (de) * 1997-10-22 1999-04-28 Hewlett-Packard Company Reinigen von Druckerdüsen unter Verwendung von Vibrationen
EP0988977A1 (de) * 1998-09-24 2000-03-29 Eastman Kodak Company Ultraschall-Reinigung von Tintenstrahldruckkopfpatronen
EP1095776A1 (de) * 1999-10-29 2001-05-02 SCITEX DIGITAL PRINTING, Inc. Verbessertes Ultraschallreinigungsverfahren für Tintenstrahldrucksysteme
US20060061618A1 (en) * 2004-09-21 2006-03-23 Z Corporation Apparatus and methods for servicing 3D printers
DE102009055966A1 (de) * 2009-11-27 2011-06-01 Voxeljet Technology Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Modelle
WO2011135496A2 (en) * 2010-04-25 2011-11-03 Objet Geometries Ltd. Solid freeform fabrication of shelled objects

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2529511A (en) * 2014-06-10 2016-02-24 Burkhard Bustgens Cleaning of nozzles from solidified coating materials
GB2529511B (en) * 2014-06-10 2019-04-10 Burkhard Buestgens Cleaning of nozzles from solidified coating materials
US12409607B2 (en) 2022-09-01 2025-09-09 General Electric Company Gas control systems for purging a printhead manufacturing apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
EP2783837B1 (de) 2016-10-12
US20160059495A1 (en) 2016-03-03
EP2783837A1 (de) 2014-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2783837B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers
DE60205075T2 (de) Kontinuierliches Tintenstrahldruckgerät min verbesserten Tintentropfenablenker und Tintenauffangvorrichtung
DE69212688T2 (de) Hochfrequenzdruckvorrichtung
DE60311181T2 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Verbessern der Gleichförmigkeit einer Gasströmung in einem kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldrucker
DE69025147T2 (de) Dreidimensionale Drucktechniken
DE69429004T2 (de) Vorrichtung zur herstellung von dreidimensionalen modellen
EP2734371B1 (de) Druckkopf für einen tintenstrahldrucker
DE69219246T2 (de) Verfahren zur Herstellung einer hochverdichteten Farbstrahldruckkopfanordnung
DE3804456C2 (de)
DE69701972T2 (de) Anordnung zur verhinderung der düsenverstopfung in einem tinetnstrahldrucker
DE102008033208A1 (de) Perforierverfahren und Perforiervorrichtung
DE102009030099A1 (de) Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes
DE102018006397A1 (de) Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Formgegenstands mittels schichtweisem Materialauftrag
EP3036084B1 (de) Verfahren zur herstellung von formkörpern
DE102014101428A1 (de) Verfahren zur Steuerung der Druckelemente eines Tintendruckkopfes eines Tintendruckgeräts
EP3386661A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur herstellung eines dreidimensionalen metallischen formkörpers
DE60028332T2 (de) Kontinuierlich arbeitender Tintenstrahldrucker mit genuteter Ablenkeinrichtung
DE102010036839A1 (de) Verfahren zur Erneuerung der Tinte in Düsen eines Tintendruckkopfes bei einem Tintendruckgerät
EP3111882A1 (de) Verfahren zur herstellung einer individualisiert zu fertigenden dentalen ersatzstruktur
WO2021104554A1 (de) Dosiereinheit in einem druckkopf eines 3d-druckers und verfahren zur dosierung eines fluids in einem 3d-drucker
DE102016210359A1 (de) Druckkopf, konfiguriert zum auffüllen von düsenbereichen mit hochviskosen materialien
EP4031340A2 (de) Verfahren zum erzeugen eines reliefartigen dekors auf einer oberfläche eines keramischen druckmediums
DE102021124004A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Düsenscheiben für Vernebler
DE102021004139A1 (de) Verfahren zur Beeinflussung von Bauteilen oder Baugruppen in einem 3D-Drucker
WO2024183949A1 (de) Druckkopf für einen tintenstahldrucker, insbesondere zum beschichten von druckmedien

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14713082

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14779633

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14713082

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1