DE102022212871A1

DE102022212871A1 - Druckkopf für einen 3D-Drucker, 3D-Drucker mit einem Druckkopf und Verfahren zum Betreiben eines 3D-Druckers mit einem Druckkopf

Info

Publication number: DE102022212871A1
Application number: DE102022212871.0A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Jahnle; Chris Nickels
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-30
Filing date: 2022-11-30
Publication date: 2024-06-06
Also published as: WO2024115228A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf (1) für einen 3D-Drucker (100) zur Herstellung eines Objekts (6), umfassend ein Reservoir (2) zur Aufnahme einer flüssigen Phase (32) eines in seiner Viskosität veränderlichen Ausgangsmaterials (3), wobei ein Kolben (4) mit einer dem Reservoir (2) zugewandten Kolbenfläche (F, 40) zur Veränderung des Drucks im Reservoir (2) vorgesehen ist und wobei das Reservoir (2) eine Düse (5) mit einer Öffnungsquerschnittsfläche (f, 50) aufweist, aus der die flüssige Phase (32) des Ausgangsmaterials (3) durch Erhöhung des Drucks im Reservoir (2) zur Herstellung des Objekts (6) austreibbar ist. Erfindungsgemäß beträgt das Verhältnis (F/f) der Kolbenfläche (F, 40) zur Öffnungsquerschnittsfläche (f, 50) der Düse (5) zwischen 6 und 130, insbesondere zwischen 10 und 120.Ferner betrifft die Erfindung einen 3D-Drucker (100) mit einem Druckkopf (1) und ein Verfahren zum Betreiben eines 3D-Druckers (100) mit einem Druckkopf (1).

Description

Stand der Technik
Ein 3D-Drucker für ein in seiner Viskosität veränderliches Material erhält eine feste Phase dieses Materials als Ausgangsmaterial, erzeugt daraus eine flüssige Phase und bringt diese flüssige Phase selektiv an den Stellen, die zu dem zu erzeugenden Objekt gehören, auf. Ein solcher 3D-Drucker umfasst einen Druckkopf, in dem das Ausgangsmaterial druckfertig aufbereitet wird. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, vorgesehen. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.
Typischerweise wird die flüssige Phase des Ausgangsmaterials durch Ausübung einer Kraft oder eines Drucks aus einer Austrittsöffnung herausgetrieben, so dass sie sich an dem herzustellenden Objekt anlagert und dort erstarrt. Die flüssige Phase des Ausgangsmaterials kann dabei wahlweise als kontinuierlicher Strang oder in Form einzelner Tropfen aus der Austrittsöffnung austreten. Bei festem Durchmesser der Austrittsöffnung ist die wichtigste Stellgröße während des Druckvorgangs die auf die flüssige Phase ausgeübte Kraft, bzw. der in diese flüssige Phase eingeleitete Druck. Die US 2016/046 073 A1 offenbart, dass sich über den Druck unter anderem die von der Austrittsöffnung auf die flüssige Phase ausgeübte Scherkraft sowie die Viskosität der flüssigen Phase einstellen lassen.
DE 10 2016 222 306 A1 offenbart einen Druckkopf für einen 3D-Drucker mit einer Fördervorrichtung zur Förderung von Granulat von einer Einzugszone in eine Plastifizierungszone, wobei die Fördervorrichtung einen in die Einzugszone einführbaren Kolben umfasst.
Die Aufgabe der Erfindung ist einen Druckkopf, einen 3D-Drucker und ein Verfahren bereitzustellen, welche einen stabilen Druckprozess bei geringen Kosten ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker zur Herstellung eines Objekts, einen 3D-Drucker mit einem erfindungsgemäßen Druckkopf und ein Verfahren zum Betreiben eines 3D-Druckers mit einem erfindungsgemäßen Druckkopf.
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Druckkopf für einen 3D-Drucker entwickelt. Dieser Druckkopf umfasst ein Reservoir zur Aufnahme einer flüssigen Phase eines in seiner Viskosität veränderlichen Ausgangsmaterials, wobei ein Kolben mit einer dem Reservoir zugewandten Kolbenfläche zur Veränderung des Drucks im Reservoir vorgesehen ist und wobei das Reservoir eine Düse mit einer Öffnungsquerschnittsfläche aufweist, aus der die flüssige Phase, bzw. Schmelze des Ausgangsmaterials durch Erhöhung des Drucks im Reservoir zur Herstellung des Objekts austreibbar ist
Erfindungsgemäß beträgt das Verhältnis F/f der Kolbenfläche F zur Öffnungsquerschnittsfläche f der Düse zwischen 6 und 130, insbesondere zwischen 10 und 120.
Es wurde erkannt, dass durch das erfindungsgemäße Verhältnis F/f der Kolbenfläche F zur Öffnungsquerschnittsfläche f der Düse der Materialaustrag optimiert und somit der Volumenstrom durch den Kolbenvorschub besser geregelt werden kann, weil beispielsweise die Schrittweitenauflösung zur Inkrementenposition eingestellt werden kann. Ferner ist durch den erfindungsgemäßen Druckkopf bezüglich der Vorschubposition des Kolbens ein geschlossener Regelkreis möglich.
Zudem sorgt das erfindungsgemäße Verhältnis der Kolbenfläche F zur Öffnungsquerschnittsfläche f der Düse dafür, dass weniger Scherkräfte in der Schmelze während des Druckprozesses entstehen, wodurch in vorteilhafter Weise eine bessere Bauteilqualität erreicht werden kann.
Die Kolbenfläche F kann in einer ersten Ausführung der Erfindung eine beliebige Form aufweisen, die zur Erhöhung des Drucks im Reservoir und für den Betrieb des jeweiligen Druckkopfs geeignet ist.
In einer Weiterbildung ist die Kolbenfläche F durch einen annähernd runden Querschnitt ausgebildet, wobei dieser einen mittleren Durchmessers D der Kolbenfläche F aufweist.
In einer Weiterbildung ist die Öffnungsquerschnittsfläche f der Düse durch einen annähernd runden Querschnitt ausgebildet, wobei dieser einen mittleren Durchmessers d der Öffnungsquerschnittsfläche f aufweist.
In einer Weiterbildung beträgt der mittlere Durchmesser D der Kolbenfläche F zwischen 8mm und 15mm, insbesondere zwischen 10mm und 12mm.
Je nach eingesetztem Ausgangsmaterial, bzw. Werkstoff und dem jeweiligen Druckauftrag sind unterschiedliche Durchmesser D der Kolbenfläche F besonders vorteilhaft. Mittlere Durchmesser D der Kolbenfläche F von mindestens 8mm, insbesondere 10mm sorgen in vorteilhafter Weise dafür, dass das Ausgangsmaterial, welches beispielsweise als Granulat zugeführt wird, problemlos in das Reservoir nachgefüllt werden kann, ohne dass es zu Verklemmungen oder dergleichen kommen kann. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine stabile Prozessführung erreicht.
Mittlere Durchmesser D der Kolbenfläche F von maximal 15mm, insbesondere 12mm ermöglichen eine prozesssichere Durchführung eines Druckprozesses, wobei die Querschnittsänderung im System, die durch den Unterschied zwischen der Kolbenfläche F und der Öffnungsquerschnittsfläche f der Düse entsteht handhabbar ist. Nachteilige Scherkräften in der Schmelze werden dadurch in vorteilhafter Weise vermieden. Ferner kann der Kolbenvorschub prozesssicher ausgeführt und kontrolliert werden.
In einer Weiterbildung beträgt der mittleren Durchmesser d der Öffnungsquerschnittsfläche f der Düse zwischen 0,1 mm und 2mm, insbesondere zwischen 0,1 mm und 1 mm.
Mittleren Durchmesser d der Öffnungsquerschnittsfläche f der Düse zwischen 0,1 mm und 2mm, insbesondere zwischen 0,1 mm und 1 mm ermöglichen in vorteilhafter Weise optimale Druckergebnisse.
In einer Weiterbildung beträgt der mittlere Durchmesser d der Öffnungsquerschnittsfläche f der Düse 5 bei Nutzung eines Ausgangsmaterials mit beigemischten Additiven zwischen 0,2mm und 2mm, insbesondere zwischen 0,2mm und 1mm. Das Ausgangsmaterial mit beigemischten Additiven kann beispielsweise ein Faser-Kunststoffverbund sein.
Ferner umfasst die Erfindung einen 3D-Drucker mit einem erfindungsgemäßen Druckkopf und ein Verfahren zum Betreiben eines 3D-Druckers mit einem erfindungsgemäßen Druckkopf.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigen:

1 einen Druckkopf eines 3D-Druckers und
2 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Druckkopfs.

1 zeigt einen 3D-Drucker 100, der einen Kolbenextruder mit einem bewegbaren Kolben 4 aufweist. Eine feste Phase 31 eines Ausgangsmaterials 3 liegt als Granulat vor, das über einen Einfülltrichter 11 zugeführt wird. Wird der Kolben 4 im Druckkopf 1 zurückgezogen, bzw. nach oben bewegt, rieselt festes Ausgangsmaterial 31 aus dem Einfülltrichter 11 nach. Wird der Kolben 4 anschließend vorgeschoben, bzw. nach unten bewegt, wird das feste Ausgangsmaterial 31 in die mit einer Heizung 13 versehene Plastifizierungszone 12 gedrückt. In der Plastifizierungszone 12 bildet sich die flüssige Phase 32 des Ausgangsmaterials 3.
Ein Reservoir 2 läuft im Bereich 5a einer Austrittsöffnung 5 düsenartig zu. Das durch die Austrittsöffnung hindurchtretende Material 33 wird in Richtung auf ein herzustellendes Objekt 6 abgegeben, das auf einer in diesem Beispiel mit einer Positioniereinheit 62 in den drei Raumrichtungen x, y und z verfahrbaren Grundplatte 61 aufgebaut wird. Bekannt sind auch Positioniereinheiten 62 unterhalb des Druckkopfs 1, die nur in z-Richtung bewegbar sind, wobei sich in diesem Fall der Druckkopf in x-y-Richtung bewegt. Das austretende Material 33 transportiert einen Massenstrom Q und einen Energiestrom E.
Im Bereich 5a der Austrittsöffnung 5 sind ein Drucksensor 7 für den Druck P_L und ein Temperatursensor 8 für die Temperatur T_L der flüssigen Phase 32 des Ausgangsmaterials 3 angeordnet. Dabei besteht der Drucksensor 7 aus einem durch die Wärmeisolierung 15 in das Reservoir 2 geführten Stößel 71 und einem Kraftsensor 72, auf den der Stößel 71 wirkt. Der gemessene Druck P_L und die gemessene Temperatur T_L werden an eine Auswerteeinheit 9 weitergegeben. Die Auswerteeinheit 9 berechnet die Volumenzunahme ΔV+, die Volumenschwindung ΔV_, den Massenstrom Q sowie den Energiestrom E. Der Druck p im Reservoir 2 wird durch den Vorschub des Kolbens 4 erzeugt. Die Antriebsquelle des Kolbens 4 bildet also ein Mittel 21 zur Erzeugung des Drucks p im Reservoir 2.
Zusätzlich sind in diesem Beispiel noch ein Wegmesssystem 22 für die Position s des Kolbens 4 im Druckkopf 1 sowie ein Kraftsensor 23 für die vom Kolben 4 ausgeübte Kraft F_F vorgesehen. Die Auswerteeinheit 9 erhält also neben dem Druck P_L und der Temperatur T_L der flüssigen Phase 32 des Ausgangsmaterials 3 noch die Position s sowie die Kraft F_F.P_L und T_L werden außerdem direkt an einen Regler 10 weitergegeben, der mit einer Stellgröße 14 auf die Antriebsquelle 21 des Kolbens 4 einwirkt. Damit ist der Regler 10 in der Lage, P_L und/oder T_L auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln.
Weiterhin erhält der Regler 10 auch die von der Auswerteeinheit 9 ermittelten Größen ΔV₊, ΔV_-, Q und E. Der Regler 10 ist somit auch in der Lage, eine oder mehrere dieser Größen auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln.
Der Druckkopf 1 für den 3D-Drucker 100 zur Herstellung des Objekts 6, umfasst das Reservoir 2 zur Aufnahme der flüssigen Phase 32 des in seiner Viskosität veränderlichen Ausgangsmaterials 3, wobei der Kolben 4 mit einer dem Reservoir 2 zugewandten Kolbenfläche F, 40 zur Veränderung des Drucks im Reservoir 2 vorgesehen ist und wobei das Reservoir 2 eine Düse 5 mit einer Öffnungsquerschnittsfläche f, 50 aufweist, aus der die flüssige Phase 32 des Ausgangsmaterials 3 durch Erhöhung des Drucks im Reservoir 2 zur Herstellung des Objekts 6 austreibbar ist. Die Darstellung des Druckkopfs 1, insbesondere die Maße der Kolbenfläche F, 40 und der Öffnungsquerschnittsfläche f, 50 der Düse 5 sind als schematische Zeichnung dargestellt und entsprechen nicht den realen Maßen, bzw. Flächenverhältnissen. Erfindungsgemäß beträgt das Verhältnis F/f der Kolbenfläche F, 40 zur Öffnungsquerschnittsfläche f, 50 der Düse 5 zwischen 6 und 130, insbesondere zwischen 10 und 120.
2 offenbart einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Druckkopfs 1 mit der Wärmeisolierung 15, welche auch ein Gehäuse des Reservoirs 2 sein kann, wobei auch hier die Maße der Kolbenfläche F, 40 und der Öffnungsquerschnittsfläche f, 50 der Düse 5 als schematische Zeichnung dargestellt sind und nicht den realen Maßen, bzw. Flächenverhältnissen entsprechen.
Die Kolbenfläche F, 40 ist durch einen annähernd runden Querschnitt ausgebildet, wobei dieser einen mittleren Durchmessers D der Kolbenfläche F, 40 aufweist.
Ferner ist die Öffnungsquerschnittsfläche f, 50 der Düse 5 durch einen annähernd runden Querschnitt ausgebildet, wobei dieser einen mittleren Durchmessers d der Öffnungsquerschnittsfläche f, 50 aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016046073 A1 [0002]
DE 102016222306 A1 [0003]

Claims

Druckkopf (1) für einen 3D-Drucker (100) zur Herstellung eines Objekts (6), umfassend ein Reservoir (2) zur Aufnahme einer flüssigen Phase (32) eines in seiner Viskosität veränderlichen Ausgangsmaterials (3), wobei ein Kolben (4) mit einer dem Reservoir (2) zugewandten Kolbenfläche (F, 40) zur Veränderung des Drucks im Reservoir (2) vorgesehen ist und wobei das Reservoir (2) eine Düse (5) mit einer Öffnungsquerschnittsfläche (f, 50) aufweist, aus der die flüssige Phase (32) des Ausgangsmaterials (3) durch Erhöhung des Drucks im Reservoir (2) zur Herstellung des Objekts (6) austreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (F/f) der Kolbenfläche (F, 40) zur Öffnungsquerschnittsfläche (f, 50) der Düse (5) zwischen 6 und 130, insbesondere zwischen 10 und 120 beträgt.
Druckkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenfläche (F, 40) durch einen annähernd runden Querschnitt ausgebildet ist, wobei dieser einen mittleren Durchmessers (D) der Kolbenfläche (F, 40) aufweist.
Druckkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsquerschnittsfläche (f, 50) der Düse (5) durch einen annähernd runden Querschnitt ausgebildet ist, wobei dieser einen mittleren Durchmessers (d) der Öffnungsquerschnittsfläche (f, 50) aufweist.
Druckkopf (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser (D) der Kolbenfläche (F, 40) zwischen 8mm und 15mm, insbesondere zwischen 10mm und 12mm beträgt.
Druckkopf (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mittleren Durchmesser (d) der Öffnungsquerschnittsfläche (f, 50) der Düse (5) zwischen 0,1 mm und 2mm, insbesondere zwischen 0,1 mm und 1 mm beträgt.
Druckkopf (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nutzung eines Ausgangsmaterials (3) mit beigemischten Additiven der mittlere Durchmesser (d) der Öffnungsquerschnittsfläche (f, 50) der Düse (5) zwischen 0,2mm und 2mm, insbesondere zwischen 0,2mm und 1mm beträgt.
3D-Drucker (100) mit einem Druckkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zum Betreiben eines 3D-Druckers (100) mit einem Druckkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.