DE102016006247A1 - "Arrangement for laser-induced melting of filaments for 3D printers" - Google Patents

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Abstract

Anordnung für eine Laserheizung zum Aufschmelzen von Filamenten, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserheizung (1) den Druckkopf (6), die axiale Bohrung (6') zur Durchführung des Filaments (5) und wenigstens eine Bohrung (7) und wenigstens eine Bohrung (14) und das Außengewinde (8) aufweist, und dass der optisch transparente Düsenkörper (9), vorzugsweise aus Quarzglas die Senkung (13), den Umlenkringspiegel (11), die Düse (12) und das Innengewinde (10) aufweist, wobei wenigstens ein Laser (3) gleicher oder unterschiedlicher elektromagnetischer Wellenlänge und leistungssteuerbar durch die Bohrung (7) bzw. die Bohrungen (7n) über den Umlenkringspiegel (11) auf das Filament (5) geführt wird und die durch die Aufschmelzung des Filaments (5) bedingte Infrarotstrahlung (15) über den Umlenkringspiegel (11) und die Bohrung (14) auf wenigstens einen Infrarotsensor (16) geführt wird, die flexible Ringdichtung (17), die Kühlluft Zufuhr (18), den Spalt (19), den Endanschlag (20), den Kühlluft Kanal (21n) und den Ringspalt (22), wobei alle notwendigen Steuermaßnahmen einschließlich der Temperatursteuerung, der Kühlluft Zufuhr (18) und des Filament Vorschubes (4) über die zentrale Steuerelektronik (2) geregelt werden.Arrangement for a laser heater for melting filaments, characterized in that the laser heater (1) comprises the print head (6), the axial bore (6 ') for passing the filament (5) and at least one bore (7) and at least one bore (6). 14) and the external thread (8), and that the optically transparent nozzle body (9), preferably of quartz glass, the counterbore (13), the Umlenkringspiegel (11), the nozzle (12) and the internal thread (10), wherein at least a laser (3) of equal or different electromagnetic wavelength and power controllable through the bore (7) and the bores (7n) on the Umlenkringspiegel (11) on the filament (5) is guided and caused by the melting of the filament (5) Infrared radiation (15) via the Umlenkringspiegel (11) and the bore (14) on at least one infrared sensor (16) is guided, the flexible annular seal (17), the cooling air supply (18), the gap (19), the end stop (20 ), the K Cooling air channel (21n) and the annular gap (22), all the necessary control measures including the temperature control, the cooling air supply (18) and the filament feed (4) via the central control electronics (2) are controlled.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Laserheizung bzw. für eine Laserschweißvorrichtung nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to an arrangement for a laser heating or for a laser welding device according to the type specified in the preamble of claim 1.

Im Stand der Technik sind Laserheizungen und Laserschweißvorrichtungen in den unterschiedlichsten Technologien und Ausführungsformen offenbart.The prior art discloses laser heaters and laser welders in a variety of technologies and embodiments.

Für das Rapid Prototyping wurden in der letzten Zeit sogenannte 3D-Drucker entwickelt, die einen Kunststoff oder auch Metalle in Draht- oder Pulverform zu Prototypmodellen bzw. 3D-Modellen aufschmelzen, wobei die Drahtform auch als Filament bezeichnet wird. Hierzu werden die Materialien einem Extrusionskopf zugeführt und verflüssigt, wobei möglichst dünne Schichten lagenförmig von unten nach oben über eine geheizte Düse durch thermisches Verschmelzen mit anschließendem verfestigendem Abkühlen aufgetragen werden.For the purpose of rapid prototyping, so-called 3D printers have recently been developed which melt a plastic or else metals in wire or powder form into prototype models or 3D models, whereby the wire form is also referred to as filament. For this purpose, the materials are fed to an extrusion head and liquefied, wherein as thin as possible layers are applied layer-shaped from bottom to top over a heated nozzle by thermal fusion followed by solidifying cooling.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist die thermische Trägheit des Systems die dazu führen kann, dass die Düse verstopft oder auch das Filament in seinem Vorschub blockiert wird, so dass die Düse in beiden Fällen blockiert ist, was insbesondere auch bei großem Materialdurchsatz ein häufiges Problem darstellt.A disadvantage of this method is the thermal inertia of the system which can cause the nozzle clogged or the filament is blocked in its feed, so that the nozzle is blocked in both cases, which is a common problem especially with large material throughput.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, dass das Filament durch einen transparenten Düsenkörper aus Glas geleitet wird, wobei vor der eigentlichen Düse durch eine optische Umlenkeinheit ein Laser das Filament aufschmelzt und durch gleichzeitige Reflexion der Infrarotstrahlung aus diesem zentralen Bereich über einen Infrarotsensor die dort vorhandene Temperatur messtechnisch ausgewertet wird.According to the invention it is therefore proposed that the filament is passed through a transparent nozzle body made of glass, wherein in front of the actual nozzle by an optical deflection unit, a laser melts the filament and evaluated by simultaneous reflection of the infrared radiation from this central region via an infrared sensor, the temperature existing there metrologically becomes.

In folgendem wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer Zeichnung beschrieben.In the following the invention will be described with reference to a preferred embodiment in conjunction with a drawing.

Dabei zeigt:Showing:

1 einen vereinfachten Längsschnitt der Laserheizung (1). 1 a simplified longitudinal section of the laser heating ( 1 ).

Erfindungsgemäß wird der Laser (3) durch die Bohrung (7) auf den Umlenkringspiegel (11) mit einem bevorzugten Winkel von 45° geführt und so auf das Filament (5) trifft und davon absorbiert und aufgeschmolzen wird. Dies geschieht vorzugsweise kurz vor der Düse (12) im unteren Bereich der Senkung (13). Der Druckkopf (6) weist wenigstens eine Bohrung (7) auf, wobei auch optional jeweils drei um 120° versetzte Bohrung (7) mit zugehörigem Laser zum Einsatz kommen können. Da die Temperatur im Bereich der Düse (12) zum einwandfreien und sicheren Betrieb der Laserheizung (1) von größter Bedeutung ist, wird die aktuelle Temperatur in diesem Bereich durch die vom Umlenkringspiegel (11) durch die Bohrung (14) reflektierte Infrarotstrahlung (15) auf den Infrarotsensor (16) geführt und über die Steuerelektronik (2) ausgewertet, so dass je nach Materialanforderung die Laserleistung optimal gesteuert werden kann. Der Umlenkringspiegel (11) kann auch durch einen Spiegel ersetzt werden der an der Außenseite des optisch transparenten Düsenkörpers (9) platziert ist, wobei der optisch transparente Düsenkörper (9) in diesem Bereich einen Winkel von 45° gegenüber der Achse des Senkung (13) bildet., Um die Temperatur im Bereich des optisch transparenten Düsenkörpers (9) effektiv kühlen zu können, wird unter positivem Druck über die Kühlluft Zufuhr (18) Luft in den Spalt (19) zwischen Filament (5) und Druckkopf Bohrung (6') eingebracht, wobei die Luft über den Ringspalt (22) durch die Kühlluft Kanäle (21n) nach außen geführt wird. Der Endanschlag (20) bildet das Widerlager für den optisch transparenten Düsenkörper (9), wobei die flexible Ringdichtung (17), vorzugsweise aus Silikon, ein Rückströmen der über die Kühlluft Zufuhr (18) zugeführte Luft in Richtung Druckkopf (6) verhindert. Der Ringspalt (22) und der Endanschlag (20) können auch ersatzlos entfallen, wobei das plane Ende des Druckkopfes (6) und das plane Ende der Senkung (13) sich physikalisch berühren und die Kühlluft Kanäle (21n) unmittelbar mit der Druckkopf Bohrung (6') eine Strömungsverbindung bilden. Die Kühlluft Zufuhr (18) wird auch über die zentrale Steuerelektronik (2) geregelt.According to the invention, the laser ( 3 ) through the hole ( 7 ) on the Umlenkringspiegel ( 11 ) with a preferred angle of 45 ° and so on the filament ( 5 ) and is absorbed and melted by it. This is preferably done just before the nozzle ( 12 ) in the lower part of the subsidence ( 13 ). The printhead ( 6 ) has at least one bore ( 7 ), wherein also optionally each three offset by 120 ° bore ( 7 ) can be used with the associated laser. As the temperature in the area of the nozzle ( 12 ) for trouble-free and safe operation of the laser heating ( 1 ) is of the utmost importance, the current temperature in this area is determined by the deflection ring mirror ( 11 ) through the hole ( 14 ) reflected infrared radiation ( 15 ) on the infrared sensor ( 16 ) and via the control electronics ( 2 ), so that depending on the material requirement, the laser power can be optimally controlled. The deflection ring mirror ( 11 ) can also be replaced by a mirror on the outside of the optically transparent nozzle body ( 9 ), wherein the optically transparent nozzle body ( 9 ) in this area an angle of 45 ° with respect to the axis of the countersink ( 13 ). To the temperature in the region of the optically transparent nozzle body ( 9 ) to effectively cool, is supplied under positive pressure via the cooling air supply ( 18 ) Air in the gap ( 19 ) between filament ( 5 ) and printhead bore ( 6 ' ), wherein the air over the annular gap ( 22 ) through the cooling air channels ( 21n ) is led to the outside. The end stop ( 20 ) forms the abutment for the optically transparent nozzle body ( 9 ), wherein the flexible ring seal ( 17 ), preferably of silicone, a return flow of the over the cooling air supply ( 18 ) supplied air in the direction of the print head ( 6 ) prevented. The annular gap ( 22 ) and the end stop ( 20 ) can also be omitted without replacement, wherein the plane end of the printhead ( 6 ) and the plane end of the lowering ( 13 ) touch physically and the cooling air channels ( 21n ) directly with the print head bore ( 6 ' ) form a flow connection. The cooling air supply ( 18 ) is also via the central control electronics ( 2 ).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Laserheizunglaser heating
22
zentrale Steuerelektronikcentral control electronics
33
Laserlaser
44
Filament VorschubFilament feed
55
Filamentfilament
66
Druckkopfprinthead
6'6 '
Druckkopf BohrungPrint head bore
77
Bohrungdrilling
88th
Außengewindeexternal thread
99
optisch transparenter Düsenkörperoptically transparent nozzle body
1010
Innengewindeinner thread
1111
UmlenkringspiegelUmlenkringspiegel
1212
Düsejet
1313
Senkungreduction
1414
Bohrungdrilling
1515
Infrarotstrahlunginfrared radiation
1616
Infrarotsensorinfrared sensor
1717
flexible Ringdichtungflexible ring seal
1818
Kühlluft ZufuhrCooling air intake
1919
Spaltgap
2020
Endanschlagend stop
2121
Kühlluft KanalCooling air duct
2222
Ringspaltannular gap

Claims (10)

Anordnung für eine Laserheizung zum Aufschmelzen von Filamenten, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserheizung (1) den Druckkopf (6), die axiale Bohrung (6') zur Durchführung des Filaments (5) und wenigstens eine Bohrung (7) und wenigstens eine Bohrung (14) und das Außengewinde (8) aufweist, und dass der optisch transparente Düsenkörper (9), vorzugsweise aus Quarzglas die Senkung (13), den Umlenkringspiegel (11), die Düse (12) und das Innengewinde (10) aufweist, wobei wenigstens ein Laser (3) gleicher oder unterschiedlicher elektromagnetischer Wellenlänge und leistungssteuerbar durch die Bohrung (7) bzw. die Bohrungen (7n) über den Umlenkringspiegel (11) auf das Filament (5) geführt wird und die durch die Aufschmelzung des Filaments (5) bedingte Infrarotstrahlung (15) über den Umlenkringspiegel (11) und die Bohrung (14) auf wenigstens einen Infrarotsensor (16) geführt wird, die flexible Ringdichtung (17), die Kühlluft Zufuhr (18), den Spalt (19), den Endanschlag (20), den Kühlluft Kanal (21n) und den Ringspalt (22), wobei alle notwendigen Steuermaßnahmen einschließlich der Temperatursteuerung, der Kühlluft Zufuhr (18) und des Filament Vorschubes (4) über die zentrale Steuerelektronik (2) geregelt werden.Arrangement for a laser heating for melting filaments, characterized in that the laser heating ( 1 ) the print head ( 6 ), the axial bore ( 6 ' ) for carrying out the filament ( 5 ) and at least one bore ( 7 ) and at least one bore ( 14 ) and the external thread ( 8th ), and that the optically transparent nozzle body ( 9 ), preferably of quartz glass, the sinking ( 13 ), the Umlenkringspiegel ( 11 ), the nozzle ( 12 ) and the internal thread ( 10 ), wherein at least one laser ( 3 ) of the same or different electromagnetic wavelength and power controllable through the bore ( 7 ) or the holes ( 7n ) over the Umlenkringspiegel ( 11 ) on the filament ( 5 ) and by the melting of the filament ( 5 ) conditioned infrared radiation ( 15 ) over the Umlenkringspiegel ( 11 ) and the bore ( 14 ) to at least one infrared sensor ( 16 ), the flexible ring seal ( 17 ), the cooling air supply ( 18 ), the gap ( 19 ), the end stop ( 20 ), the cooling air duct ( 21n ) and the annular gap ( 22 ), whereby all necessary control measures including the temperature control, the cooling air supply ( 18 ) and the filament feed ( 4 ) via the central control electronics ( 2 ) be managed. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf (6) ein Innengewinde und der optisch transparente Düsenkörper (9) ein Außengewinde aufweist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the print head ( 6 ) an internal thread and the optically transparent nozzle body ( 9 ) has an external thread. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch transparenter Düsenkörper (9) im Bereich des physikalischen Kontaktes mit dem Druckkopf (6) ein metallisches Gewinde aufweist und mit dem optisch transparenten Düsenkörper (9) in physikalischen Kontakt steht.Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the optically transparent nozzle body ( 9 ) in the area of physical contact with the print head ( 6 ) has a metallic thread and with the optically transparent nozzle body ( 9 ) is in physical contact. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflexionswinkel des Umlenkringspiegels (11) in Bezug auf die Achse der Senkung (13) einen Winkel von 45° oder auch einen davon abweichenden Winkel aufweist.Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the reflection angle of the Umlenkringspiegels ( 11 ) with respect to the axis of the lowering ( 13 ) has an angle of 45 ° or also a deviating angle. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch transparente Düsenkörper (9) aus Metall besteht und einen darin unverlierbar axialkonzentrisch platzierten optisch transparenten Ringzylinder mit identischer Senkung (13) und identischem Umlenkringspiegel (11) aufweist und die integrale Düse (12) aufweist oder auch nicht, wobei sich die metallischen Flächen des Druckkopfes (6) und des metallischen Düsenkörpers physikalisch berühren und nicht das Ende Druckkopfes (6) mit dem optisch transparenten Ringzylinder.Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the optically transparent nozzle body ( 9 ) consists of metal and a captive axially concentrically placed optically transparent annular cylinder with identical reduction ( 13 ) and identical Umlenkringspiegel ( 11 ) and the integral nozzle ( 12 ) or not, wherein the metallic surfaces of the print head ( 6 ) and the metallic nozzle body physically and not the end of the printhead ( 6 ) with the optically transparent ring cylinder. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Beaufschlagung des Infrarotsensors (16) durch Reflexion des Lasers (3) am Umlenkringspiegel (11) der Laser (3) über die zentrale Steuerelektronik (2) in seiner Leistung reduziert bzw. abgeschaltet wird.Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that upon application of the infrared sensor ( 16 ) by reflection of the laser ( 3 ) at the deflection ring mirror ( 11 ) the laser ( 3 ) via the central control electronics ( 2 ) is reduced or switched off in its performance. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (7) und die Bohrung (14) zueinander um 180° versetzt sind.Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the bore ( 7 ) and the bore ( 14 ) are offset from each other by 180 °. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkringspiegel (11) Bestandteil der Außenwandung des optisch transparenten Düsenkörpers (9) ist und mit diesem physikalisch oder chemisch physikalisch verbunden ist, wobei die Wandung im Bereich des Spiegels einen Winkel von 45° gegenüber der vertikalen Achse der Senkung (13) bildet.Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the Umlenkringspiegel ( 11 ) Component of the outer wall of the optically transparent nozzle body ( 9 is physically and chemically physically connected to the wall, wherein the wall in the region of the mirror at an angle of 45 ° relative to the vertical axis of the counterbore ( 13 ). Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf (6) und der optisch transparente Düsenkörper (9) unverlierbar aufeinander steckbar sind, wobei das Außengewinde (8) und das Innengewinde (10) dann ersatzlos entfallen.Arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the print head ( 6 ) and the optically transparent nozzle body ( 9 ) are captive on each other, wherein the external thread ( 8th ) and the internal thread ( 10 ) then omitted without replacement. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (22) und der Endanschlag (20) ersatzlos entfallen, wobei sich die Enden des Druckkopfes (6) und des optisch transparenten Düsenkörpers (9) physikalisch berühren und die Kühlluft Kanäle (21n) mit der Druckkopf Bohrung (6') eine Strömungsverbindung bilden.Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the annular gap ( 22 ) and the end stop ( 20 ) without replacement, with the ends of the print head ( 6 ) and the optically transparent nozzle body ( 9 ) physically touch and the cooling air channels ( 21n ) with the print head bore ( 6 ' ) form a flow connection.
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