WO2017042157A1 - Durchführung, düse und 3d-drucker - Google Patents

Durchführung, düse und 3d-drucker Download PDF

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Georg Bachmaier
Carlos MORRA
Iason Vittorias
Wolfgang Zöls
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
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    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/004—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by piezoelectric means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16K7/00—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves
    • F16K7/02—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with tubular diaphragm
    • F16K7/04—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with tubular diaphragm constrictable by external radial force
    • F16K7/07—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with tubular diaphragm constrictable by external radial force by means of fluid pressure

Definitions

  • the invention relates to a bushing, a nozzle and a 3D printer.
  • 3D printers in particular those for fused deposition modeling (Fused Deposition Modeling), have a nozzle with a passage, by means of which molten plastic in the manner of filaments on a bottom plate is applied in layers.
  • molten plastic in the manner of filaments on a bottom plate is applied in layers.
  • the cross-section of the passage of the nozzle must be as small as possible, so that fine structures can be produced.
  • the cross section of the implementation of the nozzle must be sufficiently large to be able to fill by means of corresponding plastic throughput large areas and Volu ⁇ mina in a reasonable time.
  • the opening cross-section is formed by means of a flexible wall, wherein the opening cross-section is hydraulically changeable.
  • the opening cross section can be adjusted particularly precisely.
  • the opening cross-section can be set continuously with the implementation according to the invention and not merely, as is known from the prior art, for example, in two opening sizes. It is understood that so far ⁇ present case is talk of a performing, always a device is meant by a suitable for carrying out channel.
  • the opening cross section by means of hydraulic movement of the flexible wall can be changed.
  • the flexible wall can be moved very precisely hydraulically.
  • the flexible wall is part of a hydraulic chamber with the topology of a torus.
  • the implementation is formed according to the invention with the Torus gagation.
  • an inner circumference of the hydraulic chamber is at least partially flexible and the outer circumference of the hydraulic ⁇ chamber compared to the inner circumference is rigid, such as a wall which is more rigid in the region of the outer periphery than a wall on the inner circumference of the hydraulic chamber.
  • the flexible wall is arranged on the inner circumference of the hydraulic chamber.
  • the hydraulic mobility of the flexible wall on a mobility of the hydraulic chamber in the direction of implementation can be traced.
  • the hydraulic chamber in the direction of implementation is compressible and or stretchable.
  • a movement of the hydraulic chamber in particular by upsetting or stretching the hydraulic chamber in the direction of an axis passing through the passage, due to the incompressibility of a hydraulic fluid, a flexible wall on the inner periphery of the door can be radially squeezed into or withdrawn from the passage.
  • the nozzle of the invention has an inventive By ⁇ guide as previously described.
  • a nozzle according to the invention with such a feedthrough according to the invention can also be set precisely with regard to the cross section of the passage of this nozzle.
  • the nozzle has an actuator, in particular a
  • Piezoelectric actuator and / or a shape memory alloy, on.
  • the hydraulic chamber is movable by means of the actuator, in particular ⁇ special compression and / or stretchable.
  • the 3D printer according to the invention has a material supply device with a nozzle according to the invention as described above.
  • the 3D printer according to the invention has a valve with a feedthrough according to the invention as described above, wherein the valve is expediently not identical to the nozzle.
  • Require structures of the 3D printer such as with a accordingly formed ⁇ control or regulation. In this way, a precise production can be accomplished with sufficient speed.
  • the 3D printer according to the invention is a melt-layer printer.
  • the 3D printer according to the invention has a
  • Control and / or regulating device which is designed to adjust the opening cross-section of the nozzle or the valve depending on dimensions of structures to be printed, in particular continuously and / or two or more open opening cross-sections. In this way, Mate ⁇ riallog and precision can be adjusted accurately in 3D printing.
  • Figure 1 shows an inventive implementation of a nozzle according to the invention of a 3D printer according to the invention schematically in longitudinal section and
  • FIG. 2 shows a 3D printer according to the invention with a nozzle with a feedthrough according to the invention according to FIG. 1 schematically in a schematic diagram.
  • the inventive implementation 10 shown in Figure 1 is formed by means of a flexible wall 20.
  • the bushing 10 by means of a through hole of a, at least ⁇ topologically substantially resembling a torus Chamber mer is formed 30th
  • the light passing through the implementation of the axis of symmetry S of the chamber 30 is also called axial axis in the following, while on the other hand, the perpendicular Richtun ⁇ gen radial directions R are cited.
  • the chamber 30 is formed along its outer periphery 40, which encloses the through hole of the torus, rigid in the radial direction and has the shape of a tire.
  • the chamber 30 is formed by means of the fle ible ⁇ wall 20 which is bead-shaped and designed to be flexible in comparison to the outer periphery 40th In axia ⁇ ler direction, the chamber is configured compressible 30th
  • the chamber 30 is provided with an incompressible fluid, in the illustrated embodiment, silicone oil, fills completely ⁇ .
  • an incompressible fluid in the illustrated embodiment, silicone oil
  • the chamber 30 is compressed in the axial direction, so the fluid due to the rigidity of the chamber 30 along the outer periphery 40 of the chamber 30 can escape only radially inwardly.
  • the flexible wall 20 along the inner circumference 50 gives according to the pressure of the liquid, so that the opening cross-section of the inner periphery 50 of the chamber 30 is reduced.
  • the nozzle 60 forms the end piece of a plastic feed 80, which plastic - in the illustrated embodiment about PLA or for example ABS - for 3D printing supplies.
  • a piezoelectric actuator to the chamber 30th
  • a heating element with adjustable temperature wherein the chamber 30 is formed of a shape memory alloy. By means of a temperature change of the heating element, the chamber 30 can be collapsed or relaxed in this embodiment.
  • the chamber 30 with the passage 10 is part of a non-identical with the inventive nozzle 60 valve of a 3D printer 70 according to the invention.

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Abstract

Durchführung (10), Düse (60) und 3D-Drucker (70) Bei der Durchführung (10) ist deren Öffnungsquerschnitt mittels einer flexiblen Wandung (20) gebildet, wobei der Öffnungsquerschnitt hydraulisch änderbar ist. Die Düse weist eine solche Durchführung auf. Der 3D-Drucker weist eine Werkstoffzufuhreinrichtung mit einer solchen Düse auf.

Description

Beschreibung
Durchführung, Düse und 3D-Drucker Die Erfindung betrifft eine Durchführung, eine Düse und einen 3D-Drucker .
3D-Drucker, insbesondere solche für Schmelzschichtungsverfahren (englisch: Fused Deposition Modelling) , weisen eine Düse mit einer Durchführung auf, mittels welcher aufgeschmolzener Kunststoff in der Art von Filamenten auf einer Bodenplatte schichtweise aufgetragen wird. Für die Düse ergeben sich zwei wichtige Randbedingungen: zum einen muss der Querschnitt der Durchführung der Düse möglichst klein sein, so dass feine Strukturen fertigbar sind. Zum anderen muss der Querschnitt der Durchführung der Düse hinreichend groß sein, um mittels entsprechenden Kunststoffdurchsatzes große Flächen und Volu¬ mina in vertretbarer Zeit füllen zu können. Hierzu ist es bekannt, 3D-Drucker mit einer Düse mit einer Durchführung vorzusehen, bei welchen diese Durchführung auf zwei unterschiedliche Querschnitte der Durchführung stellbar ist (Brooks, Hadley and Rennie, Allan and Abram, Tho¬ mas and McGovern, Jim and Caron, Francois (2011) "Variable Fused Deposition Modelling - Concept Design and Tool Path Generation" in: „Rapid Design, Prototyping and Manufacturing", Seiten 113-122. ISBN 978-0-9566643-1-0).
Jedoch kann auch bei diesen 3D-Druckern lediglich zwischen zwei Querschnitten der Durchführung der Düse gewählt werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Durchführung, eine Düse und einen 3D-Drucker anzugeben, bei welchem der Querschnitt der Durchführung besser einstellbar ist. Insbesondere sollen mittels des 3D-Druckers sowohl großvolumige oder groß- flächige als auch äußerst feine Strukturen fertigbar sein.
Diese Aufgabe wird mit einer Durchführung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, mit einer Düse mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen sowie mit einem 3D-Drucker mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeich- nung.
Bei der erfindungsgemäßen Durchführung ist der Öffnungsquerschnitt mittels einer flexiblen Wandung gebildet, wobei der Öffnungsquerschnitt hydraulisch änderbar ist.
Mittels der hydraulischen Änderbarkeit des Öffnungsquerschnitts lässt sich der Öffnungsquerschnitt besonders präzise einstellen. Insbesondere lässt sich mit der erfindungsgemäßen Durchführung der Öffnungsquerschnitt kontinuierlich einstel- len und nicht lediglich, wie etwa aus dem Stand der Technik bekannt, in zwei Öffnungsgrößen. Es versteht sich, dass, so¬ weit vorliegend von einer Durchführung die Rede ist, stets eine Vorrichtung mit einem zur Durchführung geeigneten Kanal gemeint ist.
Zweckmäßigerweise ist bei der erfindungsgemäßen Durchführung der Öffnungsquerschnitt mittels hydraulischer Bewegung der flexiblen Wandung änderbar. Die flexible Wandung lässt sich hydraulisch besonders präzise bewegen.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Durchführung ist die flexible Wandung Teil einer Hydraulikkammer mit der Topologie eines Torus . Die Durchführung ist erfindungsgemäß mit der Torusdurchführung gebildet.
Geeigneterweise ist ein Innenumfang der Hydraulikkammer zumindest teilweise flexibel und der Außenumfang der Hydraulik¬ kammer verglichen mit dem Innenumfang starr ausgebildet, etwa mit einer Wandung, die im Bereich des Außenumfangs starrer als eine Wandung am Innenumfang der Hydraulikkammer ist.
Zweckmäßigerweise ist die flexible Wandung am Innenumfang der Hydraulikkammer angeordnet. Geeigneterweise ist bei der erfindungsgemäßen Durchführung die hydraulische Beweglichkeit der flexiblen Wandung auf eine Beweglichkeit der Hydraulikkammer in Richtung der Durchführung zurückführbar.
Insbesondere ist bei der erfindungsgemäßen Durchführung die Hydraulikkammer in Richtung der Durchführung stauch- und oder streckbar. Geeigneterweise kann durch eine Bewegung der Hydraulikkammer, insbesondere durch Stauchen oder Strecken der Hydraulikkammer in Richtung einer durch die Durchführung hindurchführenden Achse, infolge der Inkompressibilität eines Hydraulikfluids eine flexible Wandung am Innenumfang des To- rus radial in die Durchführung hineingequetscht werden oder aus dieser herausgezogen werden.
Die erfindungsgemäße Düse weist eine erfindungsgemäße Durch¬ führung wie zuvor beschrieben auf. Vorteilhafterweise lässt sich somit auch eine erfindungsgemäße Düse mit einer solchen erfindungsgemäßen Durchführung hinsichtlich des Querschnitts der Durchführung dieser Düse genau einstellen. Zweckmäßigerweise weist die Düse einen Aktor, insbesondere einen
Piezoaktor, und/oder eine Formgedächtnislegierung, auf. Dabei ist mittels des Aktors die Hydraulikkammer beweglich, insbe¬ sondere stauch- und/oder streckbar.
Der erfindungsgemäße 3D-Drucker weist eine Werkstoffzufuhr- einrichtung mit einer erfindungsgemäßen Düse wie zuvor beschrieben auf. Alternativ oder zusätzlich weist der erfindungsgemäße 3D-Drucker ein Ventil mit einer erfindungsgemäßen Durchführung wie zuvor beschrieben auf, wobei das Ventil zweckmäßig nicht identisch mit der Düse ist. Mittels des er¬ findungsgemäßen 3D-Druckers lassen sich auch großflächige oder großvolumige Strukturen aufgrund der erfindungsgemäßen Düse höchstpräzise fertigen. Ein 3D-Drucker mit einer solchen Düse und/oder Durchführung lässt sich folglich zum einen effizient für große Strukturen betreiben, indem eine große Öffnung eingestellt wird, während hingegen eine kleine Öffnung der Durchführung für feine Strukturen gewählt wird. Insbeson- dere wird die Öffnung stets so groß gewählt, wie es die
Strukturen des 3D-Druckers erfordern, etwa mit einer entspre¬ chend ausgebildeten Steuerung oder Regelung. Auf diese Weise kann mit hinreichender Geschwindigkeit eine präzise Fertigung bewerkstelligt werden.
Vorteilhafterweise ist der erfindungsgemäße 3D-Drucker ein Schmelzschichtungsdrucker . Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße 3D-Drucker eine
Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung auf, welche ausgebildet ist, den Öffnungsquerschnitt der Düse oder des Ventils abhängig von Abmessungen zu druckender Strukturen einzustellen, insbesondere kontinuierlich und/oder zwei oder mehrere geöffnete Öffnungsquerschnitte. Auf diese Weise können Mate¬ rialverbrauch und Präzision beim 3D-Druck passgenau eingestellt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zei¬ gen :
Figur 1 eine erfindungsgemäße Durchführung einer erfindungsgemäßen Düse eines erfindungsgemäßen 3D- Druckers schematisch im Längsschnitt sowie
Figur 2 einen erfindungsgemäßen 3D-Drucker mit einer Düse mit einer erfindungsgemäßen Durchführung gemäß Figur 1 schematisch in einer Prinzipskizze.
Die in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Durchführung 10 ist mittels einer flexiblen Wandung 20 gebildet. Dazu ist die Durchführung 10 mittels eines Durchgangslochs einer, zumin¬ dest topologisch, im Wesentlichen einem Torus ähnelnden Kam- mer 30 gebildet. Die durch die Durchführung hindurchtretende Symmetrieachse S der Kammer 30 wird im Folgenden auch axiale Achse genannt, während hingegen die dazu senkrechten Richtun¬ gen radiale Richtungen R genannt werden. Die Kammer 30 ist entlang ihres Außenumfangs 40, welcher das Durchgangsloch des Torus umschließt, in radialer Richtung starr ausgebildet und weist die Form eines Reifens auf. Ent- lang ihres Innenumfangs 50 hingegen, welche das Durchgangs¬ loch der Kammer 30 umgibt, ist die Kammer 30 mittels der fle¬ xiblen Wandung 20 gebildet, welche wulstförmig und im Vergleich zum Außenumfang 40 flexibel ausgebildet ist. In axia¬ ler Richtung ist die Kammer 30 zusammenpressbar ausgestaltet. Die Kammer 30 ist mit einer inkompressiblen Flüssigkeit, im gezeigten Ausführungsbeispiel Silikonöl, vollständig ausge¬ füllt. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungs¬ beispielen kann anstelle von Silikonöl eine sonstige inkomp- ressible Flüssigkeit, beispielsweise Glitzerin, die Kammer 30 ausfüllen. Auf diese Weise bleibt das Volumen der Kammer 30 stets erhalten, auch wenn sich die Geometrie der Kammer 30 ändert .
Wird die Kammer 30 in axialer Richtung zusammengedrückt, so kann das Fluid aufgrund der Starrheit der Kammer 30 entlang des Außenumfangs 40 der Kammer 30 lediglich radial nach innen ausweichen. Die flexible Wandung 20 entlang des Innenumfangs 50 gibt dem Druck der Flüssigkeit entsprechend nach, so dass sich der Öffnungsquerschnitt des Innenumfangs 50 der Kammer 30 verringert.
Die Kammer 30 mit der Durchführung 10 ist, wie in Figur 2 gezeigt, Bestandteil einer erfindungsgemäßen Düse 60 eines er¬ findungsgemäßen 3D-Druckers 70.
Die Düse 60 bildet das Endstück einer KunststoffZuführung 80, welche Kunststoff - im dargestellten Ausführungsbeispiel etwa PLA oder beispielsweise ABS - für den 3D-Druck zuführt. Um die Kammer 30 zusammenzupressen ist stirnseitig, das heißt im axialer Richtung S, ein Piezoaktor an die Kammer 30
angelenkt, welcher in axialer Richtung S auslenkbar ist. Infolge der Auslenkung des Piezoaktors wird die Kammer 30 in axialer Richtung S zusammengedrückt oder aber entspannt. Alternativ ist in einem weiteren, nicht eigens dargestellten, Ausführungsbeispiel anstelle des Piezoaktors ein Heizelement mit einstellbarer Temperatur vorhanden, wobei die Kammer 30 aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist. Mittels eine Temperaturänderung des Heizelements ist in diesem Ausführungsbeispiel die Kammer 30 zusammenlegbar oder entspannbar.
In einem weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbei- spiel ist die Kammer 30 mit der Durchführung 10 Bestandteil eines nicht mit der erfindungsgemäßen Düse 60 identischen Ventils eines erfindungsgemäßen 3D-Druckers 70.

Claims

Patentansprüche
1. Durchführung, deren Öffnungsquerschnitt mittels einer fle¬ xiblen Wandung (20) gebildet ist, wobei der Öffnungsquer- schnitt hydraulisch änderbar ist.
2. Durchführung nach Anspruch 1, bei welcher der Öffnungsquerschnitt mittels hydraulischer Beweglichkeit der flexiblen Wandlung (20) änderbar ist.
3. Durchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die flexible Wandung (20) Teil einer Hydraulikkammer (30) mit zumindest der Topologie eines Torus ist und die Durchführung (10) mit einer Torusdurchführung gebildet ist.
4. Durchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein Innenumfang (50) der Hydraulikkammer (30) zumindest teilweise flexibel und ein Außenumfang (40) der Hydrau¬ likkammer (30) verglichen mit dem Innenumfang (50) starrer ist.
5. Durchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die hydraulische Beweglichkeit der flexiblen Wandung (20) auf eine Beweglichkeit der Hydraulikkammer (30) in Rich- tung der Durchführung (10) zurückführbar ist.
6. Durchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Hydraulikkammer (30) in Richtung der Durchführung (10) stauch- und/oder streckbar ist.
7. Düse mit einer Durchführung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
8. Düse mit einem Aktor, insbesondere einem Piezoaktor, und/oder einer Formgedächtnislegierung, bei welcher mittels des Aktors die Hydraulikkammer (30) beweglich, insbesondere stauch- und/oder streckbar, ist.
9. 3D-Drucker mit einer Werkstoffzufuhreinrichtung mit einer Düse (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und/oder mit einem von der Düse (60) verschiedenen Ventil mit einer Durchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. 3D-Drucker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher ein Schmelzschichtungsdrucker ist.
11. 3D-Drucker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wel- eher eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, den Öffnungsquerschnitt der Düse (60) oder des Ventils abhängig von Abmessungen zu druckender
Strukturen einzustellen, insbesondere kontinuierlich und/oder auf zwei oder mehrere geöffnete Öffnungsquerschnitte oder in zwei oder mehreren geöffneten Öffnungsstufen.
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