WO2021104554A1 - Dosiereinheit in einem druckkopf eines 3d-druckers und verfahren zur dosierung eines fluids in einem 3d-drucker - Google Patents

Dosiereinheit in einem druckkopf eines 3d-druckers und verfahren zur dosierung eines fluids in einem 3d-drucker Download PDF

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WO2021104554A1
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fluid
metering
nozzle
unit
dosing
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PCT/DE2020/000290
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Ivan Gaer
Janosch MÜNZER
Frank Wedemeyer
Rudolf Wintgens
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Laempe Mössner Sinto Gmbh
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Definitions

  • Dosing unit in a print head of a 3D printer and method for dosing a fluid in a 3D printer The invention relates to a dosing unit in a print head of a 3D printer, with a feed channel for supplying a fluid, a nozzle and a means on the dosing unit are arranged to generate a mechanical force.
  • the invention also relates to a method for metering a fluid in a 3D printer, wherein a metering unit is supplied with a fluid via a feed channel and a metering drop is metered by means of a means provided for generating a mechanical force.
  • the structure is computer-controlled from one or more liquid or solid materials according to specified dimensions and shapes.
  • Specifications for the components or workpieces to be printed can be provided, for example, by so-called computer-aided design systems (CAD).
  • CAD computer-aided design systems
  • a so-called binding agent or fluid is selectively applied, metered or printed to the applied and solidified particulate building material by means of a suitable device.
  • this binding agent or fluid causes a selective solidification and thus the formation of the 3D structure.
  • the term fluid is used for the binding agent, which, in addition to a liquid, can also be a paste.
  • Such devices for selectively applying or metering the fluid onto the particulate building material comprise several individual metering units or individual metering devices with at least one corresponding nozzle, the metering units mostly being arranged in a common assembly.
  • Such an arrangement can for example be in the form of a row or a matrix, with several metering units in each row and several metering units in each column of the matrix being arranged in the matrix and thus forming a so-called print head.
  • the individual metering units have channels for guiding or supplying the fluid, via which the fluid is only transported in one direction to the respective nozzle of the metering unit.
  • a channel for supplying or supplying the fluid is referred to below as a supply channel.
  • the nozzles at least in their so-called basic position or normal operating mode, do not have a closure for securely closing the nozzle, provision is made to generate a vacuum to avoid unintentional leakage of the fluid supplied via the supply channel from the nozzle of the dosing unit.
  • This vacuum holds the fluid back at the nozzle exit and prevents it from accidentally escaping.
  • the vacuum does not prevent the fluid from forming a, for example, crescent-shaped area outside the nozzle at each nozzle, which protrudes from the area of the opening of the nozzle and is also referred to as the fluid outlet area, protrusion or meniscus.
  • a dosing process is carried out in a dosing unit in which a droplet of the fluid is dispensed from the nozzle of the dosing unit in the direction of the particulate building material, the fluid outlet area outside the nozzle forms the beginning of the droplet to be dosed, so to speak.
  • a dosing process is brought about by means of a mechanical force-generating means which can be arranged in the interior of the dosing unit in the immediate vicinity of the nozzle.
  • a means can for example be a piezo element which works according to the piezo effect and deforms when an electrical voltage is applied.
  • Such a means for generating a mechanical force can also be a pneumatically operating element, a membrane or be a cam. The agent thus generates a mechanical force which is transferred to the fluid resting above the nozzle and presses part of the fluid through the nozzle, a droplet to be metered being created and applied to the particulate building material.
  • the shape and the size of the fluid outlet area outside the nozzle is formed as a function of the size and shape of the nozzle, as a function of the channels for guiding the fluid and as a function of the vacuum.
  • a major disadvantage of the known prior art is that the formation of the fluid outlet area outside the nozzle cannot be prevented.
  • part of the fluid is exposed to the ambient atmosphere in, for example, a crescent-shaped fluid outlet area outside the nozzle. This results in chemical reactions with the surrounding atmosphere in this area and changes in the properties in this area.
  • Such changes in the properties can be a change in the constituents of the fluid, a loss of moisture, a change in density, a change in viscosity, a change in the surface tension of the fluid, oxidation phenomena and others.
  • hardening or sticking can occur in this area, which are difficult to dissolve. If this hardening occurs only partially, the nozzle constricts. As a result, the intended amount of the fluid is not dosed during a dosing process.
  • the shape of the dosed droplet can change. Both changes have a negative impact on the printed image and thus the shape, accuracy and physical properties of the 3D component.
  • the nozzle of the dosing unit can become blocked. In this case, the corresponding nozzle can fail completely, with the print image and thus the shape and accuracy of the 3D component also being negatively affected. If, for example, several of these blockages occur, the correct operation of the printhead is no longer guaranteed. Such blockages at one or more nozzles must be cleared by a cleaning process before the print head can continue to operate in its normal mode of operation.
  • Cleaning processes are also necessary if the hardening occurs only partially and leads to a narrowing of the diameter of the nozzle or if the hardening leads to a change in the geometry of the droplet to be dosed, since in all cases the shape and / or size change of the droplet to be dosed due to such changes or errors in the nozzle. If such blockages cannot be removed by means of a suitable cleaning process, the entire printhead with all its metering units must be renewed, since otherwise defective products will result.
  • the disadvantage here is that when the nozzles are wiped off, it cannot be ensured that material removed from a nozzle is not deposited in an undesirable manner on a subsequently wiped nozzle. Furthermore, it must be ensured that the nozzles are dry or have been dried after cleaning, as residues of a cleaning liquid adhering to the nozzle openings have a negative effect on the dosing process.
  • a device for wiping is necessary, which is correspondingly complex and increases the costs for the 3D printer.
  • the process of soaking is correspondingly complex and requires a correspondingly moist agent, which is applied to the nozzles, or a bath in which the entire print head can be immersed.
  • a corresponding change in position of the print head has to be achieved in order to move it from its normal operating position into a cleaning area, for example, or even a dismantling of the print head in order to place it in a bath.
  • the cleaning agent can also be fed to the print head.
  • a corresponding structure of facial expressions generates costs and requires additional installation space.
  • Another avoidance strategy consists in cleaning by rinsing or dosing, for example in a special collecting container for the fluid, in time segments in which the print head does not have to apply any fluid to the particulate building material.
  • the nozzle should be freed from any blockages or the formation of hardenings on the nozzle should be prevented by the fluid emerging during a dosing process.
  • the problem here is that the fluid metered into the collecting container can no longer be fed directly to its actual use and this fluid either has to be recycled or is lost.
  • the fluid that is to say the binding agent
  • another non-reactive fluid such as a cleaning liquid.
  • a disadvantage of this variant is that the process of exchanging the fluid has to be monitored and carried out until the cleaning fluid has a sufficient concentration in the channels of the print head.
  • the concentration of the cleaning liquid that has been reached will be maintained.
  • One reason for this is, for example, the fluid that remains adhering in the supply channels, which has already at least partially solidified. This partially solidified fluid slowly dissolves under the influence of the cleaning liquid and permeates the cleaning liquid. The concentration of the cleaning liquid in the channels of the printhead would therefore have to be checked regularly in order to achieve the desired effect.
  • the exchange of the cleaning fluid for the binding agent must be carried out in the opposite direction during commissioning, whereby it must also be ensured in this reverse process of the exchange that the cleaning fluid has been completely removed from the feed channels of the printhead after the exchange process is completed, that the dosing of the binder can be done in a sufficiently high quality.
  • Another avoidance strategy is to replace the binding agent with a cleaning fluid, as already described, and then to close the nozzles of the print head. This ensures that foreign substances cannot get into the channels of the printhead via the nozzles and lead to contamination.
  • the disadvantage here is that the closing requires suitable means and thus represents an expensive variant.
  • the nozzles can also be closed without exchanging the binding agent for a fluid such as a cleaning liquid.
  • the nozzles are closed by a suitable means and in this way the binding agent in the nozzles is protected from the ambient atmosphere. In this way, chemical reactions of the binder with the ambient atmosphere and thus changes in the properties of the binder are to be prevented.
  • the disadvantage here is that the closure requires suitable means and is therefore a complex and expensive variant.
  • the effect of the possible avoidance strategy that is to say the possibilities for preventing the dosing units from influencing the quality of the dosing, must be checked regularly. It is known that a test print is carried out in which a predetermined test print image is generated. This test print image is optically checked and evaluated. Such an evaluation can be used to determine nozzles whose function is partially or completely disturbed.
  • Another known control option is that a so-called dosing test is carried out, in which, for example, several dosing units are controlled in a targeted manner in order to dose the fluid, for example in a collecting container. Since the number of dosages and the material properties of the fluid are known, it can be determined, for example by means of a weighing method and a comparison with an expected mass, whether the controlled nozzles of the printhead have worked properly. In this case, a corresponding effort has to be made for collecting the fluid and for the weighing process, whereby with only one check it can only be determined whether nozzles are not working properly, but not which nozzle has failed.
  • a means for determining the flow rate for the fluid is arranged in an area of the supply of the fluid to the metering units in which no branching to the individual nozzles can yet be found, i.e. in a so-called main supply line for the fluid.
  • a known number of dosing units is activated, each of which carries out a dosing via its nozzle. Since the number of dosages and the material properties of the fluid and thus the volume of a dosing drop are known, the amount of the expected run can be calculated and compared with the measured value for the run. This comparison thus provides a statement as to whether all metering units or nozzles have worked properly or whether there were failures in the test. In this test, too, it is not possible to determine a failed nozzle in one step.
  • inkjet systems which have several dosing units in a print head and which work on the basis of piezo technology when dosing fluids, are, for example, from "Method for describing piezo inkjet systems with network theory"; Dissertation submitted by Larisa Salun, M.Sc. on December 10th, 2012 https: //tuprints.ulb.tu- darmstadt.de/3330/1/Diss_Salun.pdf known in particular from Chapters 2.1 and 2.2.
  • the object of the invention is to provide a metering unit in a print head of a 3D printer and a method for metering a fluid in a 3D printer, with which improved quality and reliability is achieved when metering a fluid by means of a metering unit.
  • the object is achieved by an arrangement having the features according to claim 1 of the independent claims. Further developments are given in the dependent claims.
  • the invention provides that a metering unit has both a supply channel and a discharge channel. In this way, the fluid can be kept moving in the dosing unit and flow through the dosing unit.
  • This flow also covers the fluid outlet area that forms at the nozzle.
  • the fluid is thus also kept in a flowing movement in this fluid outlet area.
  • no complete or partial hardening occurs in the fluid outlet area in front of the nozzle, which leads to a narrowing of the nozzle and thus to incorrect metering.
  • a particular advantage is that the avoidance strategies required according to the state of the art are no longer required to ensure the readiness for use of the dosing units and to guarantee the quality and accuracy in the manufacture of a 3D component. Regular wiping or soaking of the nozzles or dosing outlets is no longer necessary.
  • the means for generating a mechanical force is a piezo element working according to a piezo effect. Such a piezo element can change or enlarge its expansion by means of an applied voltage and thus generate a mechanical force which moves in the form of a pressure wave through the fluid and causes the dispensing or dosing of a dosing drop via the nozzle.
  • a flow means is arranged at one point in the supply channel and / or at one point in the discharge channel, which causes the fluid to flow through the metering unit. In this way, the fluid is set in motion and kept in motion or flow.
  • metering units it is intended to combine several of these metering units into a print head or to arrange them in a print head.
  • Such an arrangement of the metering units can be in the form of a line, for example.
  • the dosing units can be arranged in the form of a matrix in a 3D printing head.
  • the metering units can be arranged in any form known to the corresponding control unit for the metering units.
  • the flow rate of the fluid can be changed.
  • the flow means in a first operating mode in which the fluid is metered via the nozzle, can provide a greater flow rate of the fluid than in a second operating mode in which the fluid is not metered.
  • a corresponding control means is provided which is connected to the flow means and controls it by means of corresponding control signals.
  • FIG. 1 a dosing unit or an individual dosing device from the prior art
  • FIG. 2 a dosing unit according to the invention in a 3D printer
  • FIG. 3 a further embodiment of the dosing unit according to the invention and
  • FIG. 4 an enlarged view of the dosing unit according to the invention.
  • FIG. 1 shows a dosing unit T or a single dosing device from the prior art.
  • the metering unit T has a nozzle 3, for example, in an area which is aligned with a construction field 2.
  • the particulate construction material not explicitly shown in FIG. 1, is applied, smoothed and solidified on this construction field 2.
  • methods known from the prior art for applying, smoothing and solidifying the particulate building material are used, for example.
  • the dosing unit T also has a feed channel 4, via which the fluid 5 is fed to the dosing unit T like a binding agent.
  • the arrow above the supply channel 4 in FIG. 1 indicates the direction of flow of the fluid 5.
  • the fluid 5 located in the metering unit T is, as is customary in the prior art, prevented from exiting through the nozzle 3 by a negative pressure.
  • a means 6 for generating a mechanical force is arranged in the metering unit T.
  • This means 6 for generating a mechanical force generates a mechanical force such as a pressure wave which, starting from the means 6 itself, propagates through the fluid 5 located in the dosing unit T in the direction of the nozzle 3 and in this way for dosing a drop 7 via the nozzle 3 cares.
  • the drop 7 reaches the surface of the particulate building material located on the construction field 2 and causes the selective solidification of the building material at the point of impact.
  • the metering unit 1 ‘is moved in the usual way over the construction field 2 and can thus meter the fluid 5 precisely at the points that are necessary for the formation of a 3D structure or a 3D component.
  • FIG. 2 shows a metering unit 1 according to the invention or a single metering unit according to the invention in a 3D printer.
  • the dosing unit 1 also has in an area which is aligned with a construction field 2, a nozzle 3.
  • the particulate construction material not explicitly shown in FIG. 2, is applied, smoothed and solidified on this construction field 2.
  • methods known from the prior art for applying, smoothing and solidifying the particulate building material are used.
  • the metering unit 1 according to the invention has a supply channel 4 and a discharge channel 8.
  • the fluid 5, like a binding agent, is fed to the metering unit 1 according to the invention via the supply channel 4 and discharged again from the metering unit 1 via the discharge channel 8.
  • the fluid 5 thus flows through the dosing unit 1.
  • the arrows above the supply channel 4 and above the discharge channel 8 in FIG. 2 indicate the direction of flow of the fluid 5.
  • the fluid 5 located in the metering unit 1 is prevented from exiting through the nozzle 3 by a negative pressure.
  • a means 6 for generating a mechanical force is arranged in the metering unit 1.
  • This means 6 for generating a mechanical force generates a mechanical force such as a pressure wave which, starting from the means 6 itself, propagates through the fluid 5 located in the metering unit 1 in the direction of the nozzle 3 and in this way for metering a drop 7 via the nozzle 3 cares.
  • a means 6 can for example be a piezo element operating according to the piezo effect.
  • the drop 7 reaches the surface of the particulate building material located on the construction field 2 and causes the selective solidification of the building material at the point of impact.
  • the metering unit 1 is also moved in the usual way over the construction field 2 and can thus meter the fluid 5 precisely at the points that are necessary for the formation of a 3D structure or a 3D component.
  • FIG. 2 Another embodiment of the metering unit 1 according to the invention is shown in FIG.
  • filter elements 9 are provided in FIG. These filter elements 9 are provided in the flow path of the fluid 5.
  • a filter element 9 is provided in the supply channel 4 and a filter element 9 is provided in the discharge channel 8.
  • only one filter element 9 can be provided in the supply channel 4 or one filter element 9 in the discharge channel 8.
  • These filter elements 9 serve to protect against clogging or contamination. In this way, for example, clogging of the nozzle 3 can be prevented.
  • FIG. 4 shows an enlarged representation of the inventive dosing unit 1.
  • a crescent-shaped fluid outlet area 10 for example, formed at the outlet of the nozzle 3 outside the nozzle 3 can be seen.
  • arrows are drawn in by way of example in the metering unit 1, which represent the flow direction of the fluid 5.
  • Such changes in the properties can be a change in the constituents of the fluid, a loss of moisture, a change in density, a change in viscosity, a change in the surface tension of the fluid, oxidation phenomena and others.
  • hardening or sticking can occur in this area, which are difficult to dissolve. If this hardening occurs only partially, the nozzle 3 constricts. As a result, the intended amount of the fluid 5 is not metered during a metering process.
  • the shape of the metering drop 7 can change. Both Changes have a negative impact on the printed image and thus the shape and accuracy of the 3D component.
  • the fluid outlet region 10 outside the nozzle 3 is also flowed through by the fluid 5. In this way, there is no change in the properties of the fluid 5 in the moving part of the fluid outlet region 10 and thus no hardening or narrowing of the nozzle 3 either.
  • the flow rate of the fluid 5 is adapted to the current operating conditions. In this case, for example, in a first operating mode, in which the fluid 5 is metered, a greater flow rate of the fluid 5 is set than in a second operating mode, in which the fluid 5 is not metered.

Abstract

Der Erfindung, welche eine Dosiereinheit (1) in einem Druckkopf eines 3D-Druckers und ein Verfahren zur Dosierung eines Fluids (5) in einem 3D-Drucker betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, womit eine verbesserte Qualität und Zuverlässigkeit bei der Dosierung eines Fluids (5) mittels einer Dosiereinheit (1) erreicht wird. Diese Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass an der Dosiereinheit (1) ein Ableitungs-Kanal (8) zur Ableitung des Fluids (5) aus der Dosiereinheit (1) im Druckkopf des 3D-Druckers derart angeordnet ist, dass die Dosiereinheit (1) und ein Fluidaustrittsbereich (10) außerhalb der Düse (3) vom Fluid (5) durchströmt wird. Diese Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass das über den Zuleitungs-Kanal (4) in die Dosiereinheit (1) des 3D-Druckers zugeführte Fluid (5) zumindest teilweise über einen Ableitungs-Kanal (8) aus der Dosiereinheit (1) abgeführt wird, wobei die Dosiereinheit (1) und ein Fluidaustrittsbereich (10) außerhalb der Düse (3) vom Fluid (5) durchströmt wird.

Description

Dosiereinheit in einem Druckkopf eines 3D-Druckers und Verfahren zur Dosierung eines Fluids in einem 3D-Drucker Die Erfindung betrifft eine Dosiereinheit in einem Druckkopf eines 3D-Druckers, wobei an der Dosiereinheit ein Zuleitungs-Kanal zur Zuführung eines Fluids, eine Düse und ein Mittel zur Erzeugung einer mechanischen Kraft angeordnet sind.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Dosierung eines Fluids in einem 3D- Drucker, wobei einer Dosiereinheit ein Fluid über einen Zuleitungs-Kanal zuge- führt wird und wobei eine Dosierung eines Dosiertropfens mittels eines bereitgestellten Mittels zur Erzeugung einer mechanischen Kraft erfolgt.
Bekannt ist es, zur Herstellung einzelner oder serienmäßiger Bauteile, Werkstücke oder Formen einen sogenannten 3D-Druck bzw. ein sogenanntes 3D- Druckverfahren einzusetzen. Bei derartigen Druckverfahren werden dreidimen- sionale Bauteile oder Werkstücke schichtweise aufgebaut hergestellt.
Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Vorgaben für die zu druckenden Bauteile oder Werkstücke können beispielsweise von sogenannten rechnerunterstützten Konstruktionssystemen (CAD engl computer-aided design) bereitgestellt werden.
Beim Druck der 3D-Strukturen bzw. 3D-Bauteile finden physikalische oder chemische Härtungsprozesse oder ein Schmelzprozess in einem partikelförmigen Baumaterial, welches auch als Formstoff bezeichnet wird, statt. Als Werkstoffe für derartige 3D-Druckverfahren werden Baumaterialien bzw. Formstoffe wie Kunst- Stoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle eingesetzt.
Bei der Umsetzung von 3D-Druckverfahren sind verschiedene Fertigungsverfahrensabläufe bekannt.
Mehrere dieser Verfahrensabläufe umfassen jedoch die nachfolgend beispielhaft dargestellten Verfahrensschritte: • Teil- oder vollflächiges Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial, auch als Partikelmaterial oder pulverförmiges Aufbaumaterial bezeichnet, auf ein sogenanntes Baufeld, um eine Schicht aus nichtverfestigtem Partikelmaterial zu bilden;
• Selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht aus nichtverfestigtem partikelförmigem Baumaterial in vorbestimmten Teilbereichen, beispielsweise durch ein selektives Verdichten, Aufdrucken oder Aufbringen von Behandlungsmittel, wie beispielsweise einem Bindemittel oder Einsatz von Laser;
• Wiederholung der vorhergehenden Verfahrensschritte in einer weiteren Schichtebene zum schichtweisen Aufbau des Bauteils oder Werkstücks. Hierfür ist es vorgesehen, das Bauteil oder Werkstück, welches auf dem Baufeld schichtweise aufgebaut bzw. aufgedruckt wird, mit dem Baufeld jeweils um eine Schichtebene oder Schichtdicke abzusenken oder die 3D- Druckvorrichtung jeweils um eine Schichtebene oder Schichtdicke gegenüber dem Baufeld anzuheben, bevor eine neue Schicht teil- oder vollflächig aufgetragen wird;
• Nachfolgendes Entfernen von losem, nichtverfestigtem partikelförmigem Baumaterial, welches das gefertigte Bauteil oder Werkstück umgibt.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung einer 3D-Struktur, insbesondere zum selektiven Verfestigen der aufgebrachten Schicht aus nichtverfestigtem partikelförmigem Baumaterial in vorbestimmten Teilbereichen, bekannt.
So wird beispielsweise nach dem Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial auf ein Baufeld zur Erzeugung einer 3D-Struktur ein sogenanntes Bindemittel bzw. Fluid mittels einer geeigneten Vorrichtung selektiv auf das aufgetragene und ver festigte partikelförmige Baumaterial aufgebracht, dosiert bzw. gedruckt. Dieses Bindemittel bzw. Fluid bewirkt in Kontakt mit dem partikelförmigen Baumaterial eine selektive Verfestigung und somit die Ausbildung der 3D-Struktur. Nachfolgend wird nur noch der Begriff Fluid für das Bindemittel genutzt, welches außer einer Flüssigkeit auch eine Paste sein kann. Derartige Vorrichtungen zum selektiven Aufgetragen bzw. zur Dosierung des Fluids auf das partikelförmige Baumaterial umfassen mehrere einzelne Dosiereinheiten bzw. Einzeldosierer mit mindestens einer entsprechenden Düse, wobei die Dosiereinheiten meist in einer gemeinsamen Baugruppe angeordnet sind. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise in Form einer Zeile oder einer Matrix erfolgen, wobei in der Matrix mehrere Dosiereinheiten in jeder Zeile und mehrere Dosiereinheiten in jeder Spalte der Matrix angeordnet sind und derart einen sogenannten Druckkopf bilden.
Die einzelnen Dosiereinheiten verfügen über Kanäle zur Führung bzw. Zuleitung des Fluids, über welche das Fluid nur in einer Richtung zu der jeweiligen Düse der Dosiereinheit transportiert wird. Ein derartiger Kanal zur Zuführung bzw. Zuleitung des Fluids wird nachfolgend als Zuleitungs-Kanal bezeichnet.
Da die Düsen zumindest in ihrer sogenannten Grundstellung bzw. üblichen Betriebsart keinen Verschluss zum sicheren Verschließen der Düse aufweisen, ist es vorgesehen, zur Vermeidung eines unbeabsichtigten Ausstritt des über den Zuleitungs-Kanal zugeführten Fluids aus der Düse der Dosiereinheit ein Vakuum zu erzeugen. Dieses Vakuum hält das Fluid am Ausgang der Düse zurück und verhindert den unbeabsichtigten Austritt. Das Vakuum verhindert aber nicht, dass sich an jeder Düse durch das Fluid ein beispielsweise halbmondförmiger Bereich außerhalb der Düse bildet, welcher aus dem Bereich der Öffnung der Düse herausragt und auch als Fluidaustrittsbereich, Überstand oder Meniskus bezeichnet wird.
Wird ein Dosiervorgang in einer Dosiereinheit durchgeführt, bei welchem ein Tröpfchen des Fluids aus der Düse der Dosiereinheit in Richtung des partikelför- migen Baumaterials abgegeben wird, so bildet der Fluidaustrittsbereich außerhalb der Düse sozusagen den Anfang des zu dosierenden Tröpfchens. Ein derartiger Dosiervorgang wird mittels eines eine mechanische Kraft erzeugenden Mittels bewirkt, welche im Inneren der Dosiereinheit in unmittelbarer Nähe der Düse angeordnet sein kann. Ein derartiges Mittel kann beispielsweise ein Piezo-Element sein, welches nach dem Piezoeffekt arbeitet und sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung verformt. Ein derartiges Mittel zur Erzeugung einer mechanischen Kraft kann auch ein pneumatisch arbeitendes Element, eine Membran oder ein Nocken sein. Das Mittel erzeugt also eine mechanische Krafteinwirkung, welche sich auf das über der Düse ruhende Fluid überträgt und einen Teil des Fluids durch die Düse presst, wobei ein zu dosierendes Tröpfchen entsteht und auf das partikelförmige Baumaterial aufgetragen wird.
Die Form und die Größe des Fluidaustrittsbereichs außerhalb der Düse bildet sich in Abhängigkeit der Größe und Form der Düse, in Abhängigkeit der Kanäle zur Führung des Fluids und in Abhängigkeit des Vakuums aus. Ein wesentlicher Nachteil des bekannten Standes der Technik besteht darin, dass die Ausbildung des Fluidaustrittsbereichs außerhalb der Düse nicht verhindert werden kann.
In Folge dessen ist ein Teil des Fluids in einem beispielsweise halbmondförmigen Fluidaustrittsbereich außerhalb der Düse der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt. Hierdurch kommt es in diesem Bereich zu chemischen Reaktionen mit der Umge bungsatmosphäre und zur Veränderung der Eigenschaften in diesem Bereich.
Derartige Veränderungen der Eigenschaften können eine Änderung der Inhaltsstoffe des Fluids, einen Feuchtigkeitsverlust, eine Veränderung der Dichte, eine Veränderung der Viskosität, eine Veränderung der Oberflächenspannung des Flu ids, Oxidationserscheinungen und andere sein. In der Folge dieser Veränderungen der Eigenschaften des Fluids im Fluidaustrittsbereich am Auslass der Düse und außerhalb der Düse kann es zu Verhärtungen oder Verklebungen in diesem Bereich kommen, welche schwer aufzulösen sind. Treten diese Verhärtungen nur teilweise auf, kommt es zu einer Verengung der Düse. Infolgedessen wird bei einem Dosiervorgang nicht die vorgesehene Menge des Fluids dosiert. Außerdem kann sich die Form des dosierten Tröpfchens verändern. Beide Veränderungen beeinflussen das Druckbild und somit die Form, die Genauigkeit und die physikalischen Eigenschaften des 3D-Bauteils negativ.
Wenn die Verhärtungen vollständig auftreten, kann es zur Verstopfung der Düse der Dosiereinheit kommen. In diesem Fall kann die entsprechende Düse vollständig ausfallen, wobei das Druckbild und somit die Form und die Genauigkeit des 3D-Bauteils ebenfalls negativ beeinflusst wird. Treten beispielsweise mehrere dieser Verstopfungen auf, ist die ordnungsgemäße Arbeitsweise des Druckkopfes nicht mehr gewährleistet. Derartige Verstopfungen an einer oder mehreren Düsen müssen durch einen Reinigungsvorgang beseitigt werden, bevor der Druckkopf wieder in seiner ordnungsgemäßen Arbeitsweise weiter betrieben werden kann.
Reinigungsvorgänge sind auch für den Fall notwendig, wenn die Verhärtungen nur teilweise auftreten und zu einer Verengung des Durchmessers der Düse führen oder wenn die Verhärtungen zu einer Veränderung der Geometrie des zu dosierenden Tröpfchens führen, da sich in allen Fällen die Form und/oder die Größe des zu dosierenden Tröpfchens durch derartige Veränderungen oder Fehler an der Düse verändern. Können derartige Verstopfungen nicht mittels eines geeigneten Reinigungsvorgangs beseitigt werden, muss der gesamte Druckkopf mit allen seinen Dosiereinheiten erneuert werden, da ansonsten fehlerhafte Produkte die Folge sind.
All diese Probleme führen zu zusätzlichen Kosten, einem erhöhten Wartungsaufwand und zu einem zumindest zeitweiligen Ausfall des entsprechenden 3D- Druckers.
Zur Vermeidung bzw. Verminderung dieser Probleme sind verschiedene Vermeidungsstrategien bekannt.
Bekannt ist es, Reinigungsvorgänge durchzuführen, bei denen die Düsen des Druckkopfs mit einem geeigneten Mittel abgewischt werden. Alternativ werden die Druckköpfe mit allen ihren Düsen in ein Reinigungsmittel eingetaucht beziehungsweise mit einem Reinigungsmittel getränkt und nachfolgend abgewischt
Nachteilig hierbei ist es, dass bei einem Abwischen der Düsen nicht sichergestellt werden kann, dass sich an einer Düse entferntes Material nicht an einer nachfolgend abgewischten Düse unerwünschter Weise ablagert. Weiterhin muss sicher- gestellt werden, dass die Düsen nach der Reinigung trocken sind oder getrocknet werden, da sich an den Düsenöffnungen anhaftende Reste einer Reinigungsflüssigkeit negativ auf den Dosiervorgang auswirken. Außerdem ist eine Vorrichtung zum Abwischen notwendig, welche entsprechend aulwendig ist und die Kosten für den 3D-Drucker erhöht. Der Vorgang des Tränkens ist entsprechend aufwendig und benötigt ein entsprechend feuchtes Mittel, welches an die Düsen angelegt wird, oder ein Bad, in welches der ganze Druckkopf eingetaucht werden kann. Hierbei ist entweder eine entsprechende Lageveränderung des Druckkopfes zu bewerkstelligen, um diesen aus seiner normalen Betriebslage beispielsweise in einen Reinigungsbereich zu bewegen, oder gar ein Ausbau des Druckkopfes, um diesen in ein Bad zu stellen. Alternativ kann auch das Reinigungsmittel zum Druckkopf geführt werden. Ein entsprechender Mimikaufbau erzeugt Kosten und verbraucht zusätzlichen Bauraum.
Eine weitere Vermeidungsstrategie besteht darin, dass in Zeitabschnitten, in welchen der Druckkopf kein Fluid auf das partikelförmige Baumaterial aufbringen muss, ein Reinigen mittels Spülen bzw. einem Dosieren beispielsweise in einen speziellen Auffangbehälter für das Fluid erfolgt. In diesem Fall soll durch das bei einem Dosiervorgang austretende Fluid die Düse von eventuellen Verstopfungen befreit werden bzw. das Bilden von Verhärtungen an der Düse verhindert werden. Problematisch hierbei ist es, dass das in den Auffangbehälter dosierte Fluid seiner eigentlichen Verwendung nicht mehr direkt zugeführt werden kann und dieses Fluid entweder recycelt werden muss oder verlorengeht.
Bekannt ist es auch, dass das Fluid, also das Bindemittel, gegen ein anderes nicht reaktives Fluid wie eine Reinigungsflüssigkeit ausgetauscht wird. Bei dieser Variante besteht ein Nachteil darin, dass der Prozess des Austauschs des Fluids überwacht und solange durchgeführt werden muss, bis die Reinigungsflüssigkeit eine ausreichende Konzentration in den Kanälen des Druckkopfes aufweist.
Weiterhin kann nicht sichergestellt werden, dass nach Abschluss des Austauschvorgangs des Bindemittels gegen eine Reinigungsflüssigkeit die erreichte Konzentration der Reinigungsflüssigkeit beibehalten wird. Ein Grund hierfür ist beispielsweise das in den Zuleitungs-Kanälen haftenbleibende Fluid, welches sich bereits zumindest teilweise verfestigt hat. Dieses teilweise verfestigte Fluid löst sich unter dem Einfluss der Reinigungsflüssigkeit langsam auf und durchsetzt die Reinigungsflüssigkeit. Somit müsste die Konzentration der Reinigungsflüssigkeit in den Kanälen des Druckkopfes regelmäßig überprüft werden, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Außerdem muss bei der Inbetriebnahme der Austausch der Reinigungsflüssigkeit gegen das Bindemittel in umgekehrter Richtung vollzogen werden, wobei auch in diesem umgekehrten Prozess des Austausche sichergestellt werden muss, dass nach Abschluss des Austauschvorgangs die Reinigungsflüssigkeit so vollständig aus den Zuleitungs-Kanälen des Druckkopfes entfert worden ist, dass das Dosieren des Bindemittels in ausreichend hoher Qualität erfolgen kann.
Eine weitere Vermeidungsstrategie ist es, den bereits beschriebenen Austausch des Bindemittels gegen eine Reinigungsflüssigkeit vorzunehmen und die Düsen des Druckkopfes nachfolgend zu verschließen. Somit kann sichergestellt werden, dass Fremdstoffe nicht über die Düsen in die Kanäle des Druckkopfes gelangen können und zu Verunreinigungen führen. Nachteilig hierbei ist es, dass das Verschließen entsprechend geeignete Mittel benötigt und somit eine aufwendige Variante darstellt.
Ein Verschließen der Düsen kann alternativ auch ohne einen Austausch des Bin- demittels gegen ein Fluid wie eine Reinigungsflüssigkeit erfolgen. In diesem Fall werden die Düsen durch ein geeignetes Mittel verschlossen und derart das Bindemittel in den Düsen vor der Umgebungsatmosphäre geschützt. Derart sollen chemische Reaktionen des Bindemittels mit der Umgebungsatmosphäre und somit Veränderungen der Eigenschaften des Bindemittels verhindert werden. Nachteilig hierbei ist es, dass das Verschließen entsprechend geeignete Mittel benötigt und somit eine aufwendige und teure Variante darstellt.
Nach dem Stand der Technik muss die Wirkung der möglichen Vermeidungsstrategie, also die Möglichkeiten zum Verhindern der Beeinflussung der Qualität des Dosierens durch die Dosiereinheiten, regelmäßig kontrolliert werden. Bekannt ist es, dass ein Testdruck durchgeführt wird, bei welchem ein vorgegebenes Test-Druckbild erzeugt wird. Dieses Test-Druckbild wird optisch geprüft und ausgewertet. Durch eine derartige Auswertung können Düsen ermittelt werden, deren Funktion teilweise oder vollständig gestört ist.
Üblicherweise sind hierbei Eingaben per Hand erforderlich, um die entsprechen- den Düsen zu bezeichnen, welche beispielsweise einem nachfolgenden Reini- gungsvorgang unterzogen werden sollen, um ihre volle Funktionsweise wiederherzustellen.
Eine weitere bekannte Kontrollmöglichkeit besteht darin, dass ein sogenannter Dosiertest durchgeführt wird, bei welchem beispielsweise gezielt mehrere Dosier- einheiten angesteuert werden, um eine Dosierung des Fluids beispielsweise in einem Auffangbehälter durchzuführen. Da die Anzahl der Dosierungen und die Materialeigenschaften des Fluids bekannt sind, kann beispielsweise mittels eines Wiegeverfahrens und einem Vergleich mit einer zu erwartenden Masse bestimmt werden, ob die kontrollierten Düsen des Druckkopfs ordnungsgemäß gearbeitet haben. Hierbei ist für das Auffangen des Fluids sowie für das Wiegeverfahren ein entsprechender Aufwand zu betreiben, wobei bei nur einer Kontrolle nur bestimmt werden kann, ob Düsen nicht ordnungsgemäß arbeiten, nicht aber, welche Düse ausgefallen ist.
Bekannt ist es auch, mittels einer Durchflussmessung die Zustände der Düsen des Druckkopfes zu überprüfen. Hierzu wird in einem Bereich der Zuführung des Fluids zu den Dosiereinheiten, in welchem noch keine Verzweigung zu den einzelnen Düsen zu finden ist, also in einer sogenannten Hauptzuleitung für das Fluid, ein Mittel zum Ermitteln des Durchflusses für das Fluid angeordnet. In einem Test wird eine bekannte Anzahl von Dosiereinheiten angesteuert, welche je eine Dosierung über ihre Düse durchführen. Da die Anzahl der Dosierungen und die Materialeigenschaften des Fluids und somit das Volumen eines Dosiertropfens bekannt ist, kann die Menge des zu erwartenden Durchlaufs errechnet und mit dem gemessenen Wert für den Durchlauf verglichen werden. Dieser Vergleich liefert somit eine Aussage darüber, ob alle Dosiereinheiten bzw. Düsen ord- nungsgemäß gearbeitet haben oder es Ausfälle bei dem Test gab. Eine Ermittlung einer ausgefallenen Düse ist auch in diesem Test nicht in einem Schritt möglich.
Aus dem Stand der Technik bekannte sogenannte Inkjetsysteme, welche mehrere Dosiereinheiten in einem Druckkopf aufweisen und welche auf Basis der Piezo- technologie beim Dosieren von Fluiden arbeiten, sind beispielsweise aus „Methode zur Beschreibung von Piezo-Inkjetsystemen mit der Netzwerktheorie“; Dissertation eingereicht von Larisa Salun, M.Sc. am 10.12.2012 https://tuprints.ulb.tu- darmstadt.de/3330/1/Diss_Salun.pdf insbesondere aus Kapitel 2.1 und 2.2 bekannt.
Ein weiterer Stand der Technik ist in https://www.lorentzcenter.nl/lc/web/2011/466/problems/4/Wijshoff%20- %202010%20-
%20Dynamics%20of%20inkjet%20printhead%20operation%20CH16%20.pdf zu finden.
Auf der Grundlage dieses Standes der Technik besteht ein Bedarf nach einer verbesserten Dosiereinheit in einem Druckkopf eines 3D-Druckers und einem ver- besserten Verfahren zur Dosierung eines Fluids in einem 3D-Drucker.
Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Dosiereinheit in einem Druckkopf eines 3D-Druckers und ein Verfahren zur Dosierung eines Fluids in einem 3D-Drucker anzugeben, womit eine verbesserte Qualität und Zuverlässigkeit bei der Dosierung eines Fluids mittels einer Dosiereinheit erreicht wird. Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 6 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Erfindung sieht vor, dass eine Dosiereinheit sowohl einen Zuleitungs-Kanal als auch einen Ableitungs-Kanal aufweist. Derart kann das Fluid in der Dosiereinheit in Bewegung gehalten werden und die Dosiereinheit durchströmen.
Dieses Durchströmen erfasst auch den sich an der Düse bildenden Fluidaustritts- bereich. Somit wird das Fluid auch in diesem Fluidaustrittsbereich in einer strömenden Bewegung gehalten. Hierdurch werden die aus dem Stand der Technik bekannten Veränderungen der Eigenschaften des Fluids im Fluidaustrittsbereich verhindert, da das Fluid auch in diesem Bereich ständig erneuert bzw. ausgetauscht wird. Derart werden Feuchtigkeitsverluste, eine Veränderung der Viskosität des Fluids und Oxidationserscheinungen verhindert. Somit treten keine vollständigen und auch keine teilweisen Verhärtungen im Fluidaustrittsbereich vor der Düse auf, welche zu einer Verengung der Düse und somit zu fehlerhaften Dosierungen füh- ren.
Somit wird eine immer gleichmäßige Form des Dosier-Tropfens sichergestellt und eine Veränderung bzw. Beeinflussung des Druckbilds der Dosiereinheiten des Druckkopfes verhindert. Die Form und die Genauigkeit des 3D-Bauteils wird auch nach längeren Dosierpausen, in welche keine Erzeugung von Dosier-Tropfen er- folgt ist, sichergestellt.
Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass die nach dem Stand der Technik erforderlichen Vermeidungsstrategien nicht mehr erforderlich sind, um die Einsatzbereitschaft der Dosiereinheiten sicherzustellen und um die Qualität und die Genauigkeit bei der Herstellung eines 3D-Bauteils zu gewährleisten. So ist kein regelmäßiges Abwischen oder Tränken der Düsen bzw. Dosierauslässe mehr erforderlich.
Ebenso entfällt in Zeitabschnitten, in welchen der Druckkopf kein Fluid auf das partikelförmige Baumaterial aufbringen muss, ein Reinigen mittels Spülen bzw. einem Dosieren beispielsweise in einen speziellen Auffangbehälter. Ebenso muss das Bindemittel nicht mehr gegen ein anderes nicht reaktives Fluid wie eine Reinigungsflüssigkeit ausgetauscht werden.
Auch ein Austausch des Bindemittels gegen eine Reinigungsflüssigkeit und ein Verschließen der Düsen ist nicht mehr erforderlich.
Darüber hinaus wird auch der Kontrollaufwand zur Sicherstellung der Funktions- weise der Düsen der Dosiereinheiten verringert.
Vorgesehen ist es, dass im Zuleitungs-Kanal und/oder im Ableitungs-Kanal ein oder mehrere Filterelemente angeordnet sind, mittels welcher das Fluid gefiltert wird. Somit wird verhindert, dass es zu Verstopfungen der Düse der Dosiereinheit oder eines Strömungs-Mittels kommt. In einer Ausführung ist es vorgesehen, dass das Mittel zur Erzeugung einer me chanischen Kraft ein nach einem Piezoeffekt arbeitendes Piezo-Element ist. Ein derartiges Piezo-Element kann mittels einer angelegten Spannung seine Ausdehnung verändern bzw. vergrößern und derart eine mechanische Kraft erzeugen, welche sich in Form einer Druckwelle durch das Fluid bewegt und über die Düse das Abgeben bzw. Dosieren eines Dosier-Tropfens bewirkt.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass an einer Stelle im Zuleitungs-Kanal und/oder an einer Stelle im Ableitungs-Kanal ein Strömungs-Mittel angeordnet ist, welches eine Strömung des Fluids durch die Dosiereinheit bewirkt. Derart wird das Fluid in eine Bewegung versetzt und in einer Bewegung bzw. Strömung gehalten.
Vorgesehen ist es, mehrere dieser Dosiereinheiten zu einem Druckkopf zusammenzufassen bzw. in einem Druckkopf anzuordnen. Eine derartige Anordnung der Dosiereinheiten kann beispielsweise in Form einer Zeile erfolgen. Alternativ kann eine Anordnung der Dosiereinheiten in der Form einer Matrix in einem 3D- Druckkopf erfolgen. Darüber hinaus können die Dosiereinheiten in jeder beliebigen Form, welche der entsprechenden Steuereinheit für die Dosiereinheiten bekannt ist, angeordnet werden.
Vorgesehen ist es auch, dass Strömungs- bzw. Fließgeschwindigkeit des Fluids veränderbar ist. So kann beispielsweise durch das Strömungs-Mittel in einer ersten Betriebsart, in welcher eine Dosierung des Fluids über die Düse durchgeführt wird, eine größere Fließgeschwindigkeit des Fluids bereitstellt werden als in einer zweiten Betriebsart, in welcher keine Dosierung des Fluids durchgeführt wird.
Zur Steuerung des Strömungs-Mittels bzw. zur Beeinflussung der Fließgeschwindigkeit des Fluids ist ein entsprechendes Steuer-Mittel vorgesehen, welches mit dem Strömungs-Mittel verbunden ist und dieses durch entsprechende Steuersignale steuert.
Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, welche zeigen: Fig. 1 : eine Dosiereinheit bzw. einen Einzeldosierer aus dem Stand der Technik, Fig. 2: eine erfindungsgemäße Dosiereinheit in einem 3D-Drucker,
Fig. 3: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosiereinheit und Fig. 4: eine vergrößerte Darstellung der erfindungsgemäßen Dosiereinheit.
Die Figur 1 zeigt eine Dosiereinheit T bzw. einen Einzeldosierer aus dem Stand der Technik. Die Dosiereinheit T weist beispielsweise in einem Bereich, welcher zu einem Baufeld 2 ausgerichtet ist, eine Düse 3 auf. Auf diesem Baufeld 2 wird das in der Figur 1 nicht explizit dargestellte partikelförmige Baumaterial aufgetragen, geglättet und verfestigt. Hierfür kommen beispielsweise nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren zum Aufträgen, Glätten und Verfestigen des partikel förmigen Baumaterials zum Einsatz.
Die Dosiereinheit T weist weiterhin einen Zuleitungs-Kanal 4 auf, über welchen das Fluid 5 wie ein Bindemittel zur Dosiereinheit T geführt wird. Der Pfeil über dem Zuleitungs-Kanal 4 in der Figur 1 gibt die Fließrichtung des Fluids 5 an. Das sich in der Dosiereinheit T befindliche Fluid 5 wird, wie nach dem Stand der Technik üblich, durch einen Unterdrück am Austreten durch die Düse 3 gehindert.
Zur Dosierung des Fluids 5 über die Düse 3 auf das auf dem Baufeld 2 befindliche partikelförmige Baumaterial ist in der Dosiereinheit T ein Mittel 6 zur Erzeugung einer mechanischen Kraft angeordnet. Dieses Mittel 6 zur Erzeugung einer mechanischen Kraft erzeugt eine mechanische Kraft wie eine Druckwelle, welche sich ausgehend vom Mittel 6 selbst durch das in der Dosiereinheit T befindliche Fluid 5 in Richtung der Düse 3 ausbreitet und derart für eine Dosierung eines Tropfens 7 über die Düse 3 sorgt. Der Tropfen 7 erreicht die Oberfläche des auf dem Baufeld 2 befindlichen partikelförmigen Baumaterials und bewirkt die selektive Verfestigung des Baumaterials an der Stelle des Auftreffens.
Die Dosiereinheit 1 ‘ wird in üblicher Weise über das Baufeld 2 bewegt und kann die Dosierung des Fluids 5 somit genau an den Stellen vornehmen, welche zur Ausbildung einer 3D-Struktur bzw. eines 3D-Bauteils notwendig sind.
Die Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Dosiereinheit 1 bzw. einen erfindungsgemäßen Einzeldosierer in einem 3D-Drucker. Die Dosiereinheit 1 weist ebenfalls in einem Bereich, welcher zu einem Baufeld 2 ausgerichtet ist, eine Düse 3 auf. Auf diesem Baufeld 2 wird das in der Figur 2 nicht explizit dargestellte partikelförmige Baumaterial aufgetragen, geglättet und verfestigt. Hierfür kommen wiederum nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren zum Aufträgen, Glätten und Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials zum Einsatz.
Die erfindungsgemäße Dosiereinheit 1 weist einen Zuleitungs-Kanal 4 und einen Ableitungs-Kanal 8 auf. Das Fluid 5 wie ein Bindemittel wird der erfindungsgemäßen Dosiereinheit 1 über den Zuleitungs-Kanal 4 zugeführt und über den Ablei tungs-Kanal 8 wieder aus Dosiereinheit 1 abgeleitet. Somit wird die Dosierein heit 1 vom Fluid 5 durchströmt.
Die Pfeile über dem Zuleitungs-Kanal 4 und über dem Ableitungs-Kanal 8 in der Figur 2 geben die Fließrichtung des Fluids 5 an. Das sich in der Dosiereinheit 1 befindliche Fluid 5 wird durch einen Unterdrück am Austreten durch die Düse 3 gehindert.
Zur Dosierung des Fluids 5 über die Düse 3 der erfindungsgemäßen Dosiereinheit 1 auf das auf dem Baufeld 2 befindliche partikelförmige Baumaterial ist in der Dosiereinheit 1 ein Mittel 6 zur Erzeugung einer mechanischen Kraft angeordnet. Dieses Mittel 6 zur Erzeugung einer mechanischen Kraft erzeugt eine mechanische Kraft wie eine Druckwelle, welche sich ausgehend vom Mittel 6 selbst durch das in der Dosiereinheit 1 befindliche Fluid 5 in Richtung der Düse 3 ausbreitet und derart für eine Dosierung eines Tropfens 7 über die Düse 3 sorgt. Ein derarti ges Mittel 6 kann beispielsweise ein nach dem Piezoeffekt arbeitendes Piezo- Element sein.
Der Tropfen 7 erreicht die Oberfläche des auf dem Baufeld 2 befindlichen partikelförmigen Baumaterials und bewirkt die selektive Verfestigung des Baumaterials an der Stelle des Auftreffens.
Auch die Dosiereinheit 1 wird in üblicher Weise über das Baufeld 2 bewegt und kann die Dosierung des Fluids 5 somit genau an den Stellen vornehmen, welche zur Ausbildung einer 3D-Struktur bzw. eines 3D-Bauteils notwendig sind. In der Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosiereinheit 1 dargestellt. Im Unterschied zu der bereits zur Figur 2 beschriebenen Ausführungsform sind in der Figur 3 Filterelemente 9 vorgesehen. Diese Filterelemente 9 werden im Strömungsweg des Fluids 5 vorgesehen. Im Beispiel der Figur 3 ist ein Filterelement 9 im Zuleitungs-Kanal 4 und ein Filterelement 9 im Ableitungs-Kanal 8 vorgesehen. Alternativ kann auch nur ein Filterelement 9 im Zuleitungs-Kanal 4 oder ein Filterelement 9 im Ableitungs-Kanal 8 vorgesehen werden. Diese Filterelemente 9 dienen zum Schutz vor Verstopfungen bzw. Verunreinigungen. Derart kann beispielsweise ein Verstopfen der Düse 3 verhindert werden.
Die Figur 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung der erfindungsgemäßen Dosiereinheit 1. Neben den bereits zu den Figuren 2 und 3 beschriebenen Elementen der erfindungsgemäßen Dosiereinheit 1 ist ein sich am Ausgang der Düse 3 bildender beispielsweise halbmondförmiger Fluidaustrittsbereich 10 außerhalb der Düse 3 zu erkennen. Außerdem sind beispielhaft Pfeile in der Dosiereinheit 1 eingezeichnet, welche die Strömungsrichtung des Fluids 5 darstellen.
Für den Fall, dass die Dosiereinheit 1 über einen Zeitabschnitt keinen Dosiervorgang vornimmt, so kann es im Fluidaustrittsbereich 10 außerhalb der Düse 3 nach dem Stand der Technik zu chemischen Reaktionen des Fluids 5 mit der die Dosiereinheit 1 umgebenden Umgebungsatmosphäre kommen, da das Fluid 5 nicht bewegt wird. Bei diesen Reaktionen kommt es zu einer Veränderung der Eigenschaften des Fluids 5 im Bereich 10.
Derartige Veränderungen der Eigenschaften können eine Änderung der Inhaltsstoffe des Fluids, einen Feuchtigkeitsverlust, eine Veränderung der Dichte, eine Veränderung der Viskosität, eine Veränderung der Oberflächenspannung des Fluids, Oxidationserscheinungen und andere sein. In der Folge dieser Veränderun gen der Eigenschaften des Fluids im Fluidaustrittsbereich 10 am Auslass der Düse 3 und außerhalb der Düse 3 kann es zu Verhärtungen oder Verklebungen in diesem Bereich kommen, welche schwer aufzulösen sind. Treten diese Verhärtungen nur teilweise auf, kommt es zu einer Verengung der Düse 3. Infolgedessen wird bei einem Dosiervorgang nicht die vorgesehene Menge des Fluids 5 dosiert. Außerdem kann sich die Form des Dosier-Tropfens 7 verändern. Beide Ver- änderungen beeinflussen das Druckbild und somit die Form und die Genauigkeit des 3D-Bauteils negativ.
Da die erfindungsgemäße Dosiereinheit 1 vom Fluid 5 durchströmt wird, wird auch der Fluidaustrittsbereich 10 außerhalb der Düse 3 vom Fluid 5 durchströmt. Somit kommt es in dem bewegten Teil des Fluidaustrittsbereichs 10 nicht zu einer Veränderung der Eigenschaften des Fluids 5 und somit auch nicht zu Verhärtungen oder einer Verengung der Düse 3.
Vorgesehen ist es, dass die Fließgeschwindigkeit des Fluids 5 an die aktuellen Betriebsbedingungen angepasst wird. Hierbei wird beispielsweise in einer ersten Betriebsart, in welcher Dosierungen des Fluids 5 durchgeführt werden, eine größere Fließgeschwindigkeit des Fluids 5 eingestellt als in einer zweiten Betriebsart, in welcher keine Dosierungen des Fluids 5 durchgeführt werden.
Hierfür sind entsprechende Strömungs-Mittel vorgesehen, welche das Fluid 5 in Strömung versetzen. Weiterhin sind entsprechende Steuer-Mittel vorgesehen, welche eine Steuerung der Strömungs-Mittel und somit der Fließgeschwindigkeit des Fluids 5 ermöglichen. In den Figuren 1 bis 4 sind derartige Strömungs-Mittel und Steuer-Mittel nicht dargestellt.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1, V Dosiereinheit
2 Baufeld
3 Düse
4 Zuleitungs-Kanal
5 Fluid / Bindemittel
6 Mittel zur Erzeugung einer mechanischen Kraft
7 Dosier-T ropfen
8 Ableitungs-Kanal
9 Filterelement
10 Fluidaustrittsbereich

Claims

Patentansprüche
1. Dosiereinheit (1) in einem Druckkopf eines 3D-Druckers, wobei an der Do siereinheit (1) ein Zuleitungs-Kanal (4) zur Zuführung eines Fluids (5), eine Düse (3) und ein Mittel (6) zur Erzeugung einer mechanischen Kraft ange ordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an der Dosiereinheit (1) ein Ableitungs-Kanal (8) zur Ableitung des Fluids (5) von der Düse (3) aus der Dosiereinheit (1) im Druckkopf des 3D-Druckers derart angeordnet ist, dass die Dosiereinheit (1) und ein Fluidaustrittsbereich (10) außerhalb der Düse (3) vom Fluid (5) durchströmt wird.
2. Dosiereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuleitungs-Kanal (4) der Dosiereinheit (1) und/oder im Ableitungs-Kanal (8) der Dosiereinheit (1) ein oder mehrere Filterelemente (9) angeordnet sind.
3. Dosiereinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (6) zur Erzeugung einer mechanischen Kraft ein nach einem Piezoeffekt arbeitendes Piezo-Element, ein pneumatisch arbeitendes Element, eine Membran oder ein Nocken ist.
4. Dosiereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuleitungs-Kanal (4) und/oder der Ableitungs-Kanal (8) mit einem Strömungs-Mittel zur Erzeugung einer Strömung für das Fluid (5) verbunden ist.
5. Dosiereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dosiereinheiten (1) in Form einer Zeile oder einer Matrix in einem Druckkopf eines 3D-Druckers angeordnet sind.
6. Verfahren zur Dosierung eines Fluids in einem 3D-Drucker, wobei einer Dosiereinheit (1) ein Fluid (5) übereinen Zuleitungs-Kanal (4) zugeführt wird und wobei eine Dosierung eines Dosiertropfens (7) mittels eines be reitgestellten Mittels (6) zur Erzeugung einer mechanischen Kraft erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das überden Zuleitungs-Kanal (4) zu einer Düse (3) der Dosiereinheit (1) des 3D-Druckers zugeführte Fluid (5) zumindest teilweise über einen Ableitungs-Kanal (8) von der Düse (3) aus der Dosiereinheit (1) abgeführt wird, wobei die Dosiereinheit (1) und ein Fluidaustrittsbereich (10) außerhalb der Düse (3) vom Fluid (5) durchströmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das über den Zuleitungs-Kanal (4) in die Dosiereinheit (1) zugeführte Fluid (5) mittels eines Filterelements gefiltert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Dosierung eines Dosiertropfens (7) bereitgestellte Mittel (6) zur Erzeu gung einer mechanischen Kraft als ein nach einem Piezoeffekt arbeitendes Piezo-Element, ein pneumatisch arbeitendes Element, eine Membran oder einen Nocken bereitgestellt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich des Zuleitungs-Kanals (4) und/oder in einem Bereich des Ableitungs-Kanals (8) ein Strömungs-Mittel zur Erzeugung einer Strömung für das Fluid (5) bereitgestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungs-Mittel in einer ersten Betriebsart, in welcher eine Dosierung des Fluids (5) über die Düse (3) durchgeführt wird, eine größere Fließgeschwindigkeit des Fluids (5) bereitstellt als in einer zweiten Betriebsart, in welcher keine Dosierung des Fluids (5) durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Strömungs-Mittel in der Dosiereinheit (1) erzeugte Strömung den Fluidaustrittsbereich (10) erfasst und derart das Fluid (5) im Fluidaustrittsbereich (10) fließt und in Bewegung bleibt.
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