WO2012028129A2 - Vorrichtung zum herstellen dreidimensionaler modelle mittels schichtauftragstechnik - Google Patents
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- WO2012028129A2 WO2012028129A2 PCT/DE2011/001440 DE2011001440W WO2012028129A2 WO 2012028129 A2 WO2012028129 A2 WO 2012028129A2 DE 2011001440 W DE2011001440 W DE 2011001440W WO 2012028129 A2 WO2012028129 A2 WO 2012028129A2
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Definitions
- the invention relates to a device for producing three-dimensional models by means of layer application technology according to the preamble of patent claim 1.
- European Patent EP 0 431 924 B1 describes a method for producing three-dimensional objects by means of layer application technology from computer data.
- a particulate material is applied in a thin layer on a platform and this selectively printed by means of a print head with a fluid binder material.
- the particle area printed with the binder sticks and solidifies under the influence of the binder and optionally an additional hardener.
- the printed and solidified areas create a three-dimensional object.
- This made of solidified particulate material object is embedded after its completion in loose particles material and is then released. This is done for example by means of a
- layer construction methods or methods for building models by means of layer construction technique which completely meter the building material for the desired objects via print heads.
- a method is known in which a light-curing material is metered via a plurality of individually controllable nozzles on a target area and this area is solidified during printing with a light source.
- another material is likewise metered in via one or more print heads, which serve as support material for overhanging object structures.
- nozzles are used for a droplet-like material application, which are usually combined in print heads.
- Printheads used in such 3D printing processes usually consist of several components.
- An essential component here are so-called pressure modules with a limited number of individually controllable nozzles.
- the nozzles operate on a drop-on-demand principle with usually piezoelectric actuators, which result in the application of a corresponding current pulse to eject a drop per nozzle controlled.
- the drops are relatively small and have diameters of sometimes less than 50 ⁇ .
- the pressure modules also have a fluid supply line, which as a rule leads to a fluid reservoir, which is preferably located above the nozzles.
- the print modules are located in a receptacle that allows precise alignment of several modules to each other.
- a printhead has sensors for detecting the fluid temperature, possibly means for controlling the temperature of the modules and the fluid, sensors for level control and electronics for processing the electrical signals.
- the entire print head has a not insignificant mass.
- This mass is received via a so-called printhead holder, which connects the printhead, depending on the design of the device, with the frame or the moving carriage of a moving unit.
- This distance to the construction field is usually a few mm, usually 1 to 3 mm. This distance is overcome by the small drops with a nozzle exit speed of usually 5 - 10 m / s. Due to the relative movement of printhead to construction field in describing the construction field creates an air flow parallel to the gap, which leads to the staggered impact of the droplets on the construction field. If the distance between the printhead and the construction field changes during a printing process, the offset also changes. Tolerable deviations are again in the range of smaller droplet size, ie in the range of less pm. In this respect, it is important to be able to set the exact distance and keep it throughout the construction process.
- the printheads are centrally picked up from standard height adjustment stages and goniometers for angle adjustment.
- the connection to a track is done for example via a metal angle.
- the metal bracket is horizontally rotatably mounted and adjustable via a built-in measuring screw.
- the printheads are usually moved across the construction site via linear traversing systems, or the construction field moves under the stationary printheads.
- size of the construction field and desired resolution are variously many time-consuming motion processes necessary to fully describe the construction field with the printheads. It therefore makes sense to increase the rate of application by increasing the number of nozzles.
- the writing width of the print head has a direct effect on the dimension and mass of the print head due to the stiffness requirements within the print head or the necessary aggregates in the print head, as already explained above.
- the ratio printhead mass to writing width increases with increasing printhead width of 7 cm to 100 cm for reasons of design from about 0.3 kg / cm to about 1 kg / cm.
- a prior art fixture with a positioning table is not intrinsically rigid and can not transmit the resulting process forces of a heavy printhead.
- An angle setting with goniometer should be made sense only at one point.
- a suspension at only one point can be realized by the large leverage only with an oversized, heavy suspension.
- a central arrangement can only take place between the linear stage and the print head, which unnecessarily enlarges the apparatus.
- the moment load on the print head mount is so high that the width of the print head can no longer be centrally suspended.
- the adjustment must be made so massive that it can withstand the high forces and yet can be finely adjusted.
- the holder must also be designed so stiff that no disturbing vibrations can set.
- the settings In order to ensure lasting print quality, the settings must under no circumstances subsequently change.
- the clamping technique of the setting device must not influence the settings in this case. Clamping and adjustment direction must be separated from each other. Furthermore, the clamping must be so strong that the process forces and possibly occurring vibrations can not influence the set values.
- the object is according to the invention of a device
- a device for producing three-dimensional models by means of a layer application technique in which at least one print head is provided for selectively dropwise metering at least one material onto a target surface.
- the print head stands at two spaced points with a recording in engagement. Furthermore, the position and orientation of the print head relative to the target surface is continuously adjustable in all spatial directions via these two points, and the receptacle and the target surface are displaceable relative to each other.
- either the print head has a movement mechanism which can be displaced relative to the target surface
- Target surface plane direction or the target surface is displaceable relative to the print head in the target surface plane direction.
- a receptacle may be composed of various components according to the present invention.
- the unit may also be called a recording device.
- the dots indicate localized areas in which the location of the printhead can be adjusted in a relatively simple manner.
- the print head is preferably in engagement with the receptacle on an inherently rigid plate outside the printing area by means of two receiving elements in the points.
- the receiving members are rotatably mounted in the receiving points, in particular designed as round rods, the adjustability can be achieved very effectively.
- Device can be achieved when the receiving members are firmly connected to the recording.
- nozzle plate An even better and easier adjustability of the nozzle plate can often be achieved according to a particularly preferred embodiment of the present invention, when the receiving members are engaged with the plate substantially parallel to the lever arms.
- the lever arms in each case in a plane the nozzle plate with respect to the angle and perpendicular to the plane of the nozzle plate are free and infinitely adjustable.
- a device may be provided with a setting apparatus in which two round bars laterally hold the print head in the receiving points and even in cantilevered levers in all directions
- the printhead support In order to keep the machine dimensions small, the printhead support must be designed as space-saving.
- the adjusting apparatus according to the present invention is therefore compact and does not lie between the printhead and the carriage as in prior art holders.
- the print head according to one embodiment of the present invention together with the bracket easily separable from the track or the frame, since the setting has few, easily detachable connections.
- the printhead can be exposed to the media to be printed such as fine, abrasive powder materials, where appropriate, the aggressive liquid media.
- the device according to the present invention is inexpensive to implement and well available, since the functional components are easy to produce in current manufacturing processes.
- Figure 1 is a side view of a printhead with a holder according to the prior art
- FIG. 2 is a top view of a prior art printhead
- Figure 3 is an oblique view of a printhead with a holder according to the prior art
- Figure 4 is an illustration of the arrangement of the axes of movement of a printhead according to a preferred embodiment of the invention
- 5 shows a sectional representation through one half of a setting apparatus or a holding device of a preferred embodiment of the device according to the invention
- FIG. 6 shows a side view of one half of the setting apparatus or of the holding device according to FIG. 5;
- Figure 7 is an enlarged view of the sectional view through one half of the adjusting apparatus or the holding device according to Figure 5;
- Figure 8 is a further sectional view of the adjusting apparatus of Figure 5;
- FIG. 9 is an oblique view of the adjusting apparatus or the holding device with the degree of freedom marking according to FIG. 5;
- Figure 10 is a model representation of the storage situation of
- Figures 1, 2 and 3 show a structure of a print head in one
- the print head 20 is here moved with a linear unit 19, consisting of drive and guide, over a target surface.
- the recording on the linear unit 19 is formed from a metal angle 17.
- the metal angle 17 is rotatably mounted in the receptacle and adjustable via a built-in measuring screw 21, so that the angle of the print head 20 in the nozzle plate plane can be adjusted via the angular adjustment 18.
- Other settings do not exist in such a device according to the prior art.
- FIG. 4 shows the top view of an embodiment of the invention
- a printhead 8 is also attached in this case to a linear unit 14 which, together with another linear unit axis pair 15, results in an orthogonally oriented portal.
- the target area lying within the portal can be described or printed.
- the printhead 8 first on the linear unit 14 at a first
- the axle pair 15 moves the axle 14 at a constant speed over the target surface.
- a strip which corresponds approximately to the print head wide selectively printed.
- the print head 8 is offset by the linear unit 15 by a print strip width.
- the print head 8 is fixed via a holder with the moving
- each rod 7 is screwed with a single screw 13, easily accessible from below through the nozzle plate 12.
- Printhead mount 12 guaranteed.
- the area shown in FIG. 23 forms the receptacle 23.
- the round rods 7 are rotatably supported by their shape in lever arms 2.
- the lever arms 2 are arranged laterally above the nozzle plate 12.
- the rod 7 is characterized at the same time as a link and
- the rods 7 have according to the preferred shown
- lever arm 2 via thread, so that they can be fixed via clampable nuts 1 in the lever arms 2 in all directions, torsion.
- Each lever arm 2 is mounted rotatably on a holding cylinder 6 on the side facing away from the round rods 7 side.
- a slotted cylindrical bore in the lever arm 2 is provided and can therefore be made clamped with screws 5.
- Both holding cylinders 6 are rigidly connected to a carriage of the track 14. This can take place via a dial 3, a horizontal displacement.
- the holding cylinders 6 have on their top a bolt with an external thread.
- An adjusting nut 4 is supported on the threaded bolt of the holding cylinder 6, and carries the lever arm 2 via a fixedly connected to it thrust bearing.
- the distance of the print head 8 is increased to the construction field or the target area.
- connection of the holding cylinder 6 to the nozzle plate 12 as a joint bearing that is, the mobility is according to brooder three, executed, is a wide horizontal angle adjustment of the nozzle plate 12 to the bottom possible. For this purpose, only one lever arm 2 is then adjusted in height.
- the nozzles one behind the other in the printing direction are aligned exactly on the underside of the print head.
- the angle of the print head 8 to the direction of travel must be set.
- At least one lever arm 2 the receiving bore for the round rod 7 as a slot in
- the round rod 7 is performed without play.
- the round rod 7 is rotatably supported by its outer contour for angular adjustment in the slot about its axis.
- the round rod 7 carries in an axial bore a cylindrical piece 10 which has a thread transverse to its axis.
- an adjusting bolt 11 is mounted axially free of play, with the fine thread, the position of the round rod 7 is set in the lever arm 2 via the cylinder piece 10 continuously.
- the round rod 7 is slotted on the circumference so that the thread of the cylinder piece 10 can be reached by the adjusting bolt 11.
- the device is designed so that it is stored statically determined in the horizontal adjustment.
- n number of elements
- the print head is held by two lever arms 2, which are mounted horizontally rotatable at each end. Depending on a pivot bearing of a lever arm 2 is firmly connected on one side with the print head and on the other side fixed to the carriage of the printhead.
- At least one of the lever arms 2 is designed as a linear bearing with a rotational degree of freedom. If one of the pivot bearings is fixed during the horizontal angle adjustment, the following storage situation results.
- Construction elements is then 4, the number of joints 5.
- the holding device is fixed on the round bar 7 via the clamping screws 5 in the lever arm 2 and via the clamping nut 1.
- the clamping direction is independent of the setting direction, so that the setting made during clamping is not affected.
- the rods 7 and lever 2 are solid and hold by their shape and the structurally short lever high bending and torsional moments.
- the shape of the round rods 7 is a simple well-visible setting in all directions possible.
- the adjusting device reduces to a few compact but highly rigid parts. Good accessibility with small construction dimensions and low production costs are thus possible.
- the adjustment mechanism is compact and can be made resistant to the process media. All components are easy to clean.
- the rods 7 and thus the entire adjustment apparatus are arranged laterally of the print head. This space is saved in the printing direction.
- the round rods 7 are rotatably supported by their shape in lever arms 2.
- the rod is also characterized as a link and setting component.
Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Modelle mittels Schichtauftragstechnik, wobei mindestens ein Druckkopf (8) zum selektiven tropfenweisen Dosieren mindestens eines Materials auf eine Zielfläche vorgesehen ist. Hierbei steht der Druckkopf (8), an zwei beabstandeten Punkten mit einer Aufnahme in Eingriff, über die Lage und Ausrichtung des Druckkopfes (8) relativ zur Zielfläche in allen Raumrichtungen stufenlos einstellbar ist und die Aufnahme und die Zielfläche relativ zueinander verschiebbar sind.
Description
Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Modelle mittels
Schichtauftraastechnik
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Modelle mittels Schichtauftragstechnik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
In der europäischen Patentschrift EP 0 431 924 Bl wird ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte mittels Schichtauftragstechnik aus Computerdaten beschrieben. Dabei wird ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht auf eine Plattform aufgetragen und dieses selektiv mittels eines Druckkopfes mit einem fluiden Bindermaterial bedruckt. Der mit dem Binder bedruckte Partikelbereich verklebt und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen Härters. Anschließend wir die Plattform um eine Schichtdicke in einen Bauzylinder abgesenkt und mit einer neuen Schicht Partikelmaterial versehen, die ebenfalls, wie oben beschrieben, bedruckt wird . Diese Schritte werden wiederholt, bis eine gewisse, erwünschte Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt.
Dieses aus verfestigtem Partikelmaterial hergestellte Objekt ist nach seiner Fertigstellung in losem Partikel material eingebettet und wird anschließend davon befreit. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines
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Saugers. Übrig bleiben danach die gewünschten Objekte, die dann vom Restpulver z.B. durch Abbürsten befreit werden.
Daneben sind Schichtbauverfahren beziehungsweise Verfahren zum Aufbauen von Modellen mittels Schichtaufbautechnik bekannt, die das Baumaterial für die gewünschten Objekte vollständig über Druckköpfe dosieren. Aus der WO200168375A2 ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei dem ein lichthärtendes Material über eine Vielzahl einzeln ansteuerbarer Düsen auf einen Zielbereich dosiert wird und dieser Bereich während des Drucks mit einer Lichtquelle verfestigt wird. Neben dem eigentlichen Objektmaterial wird gemäß diesem beschriebenen Verfahren ein weiteres Material ebenfalls über einen oder mehrere Druckköpfe dosiert, das als Stützmaterial für überhängende Objektstrukturen dient.
Im Folgenden werden alle diese Verfahren unter dem Begriff „dreidimensionale Druckverfahren", 3D-Druckverfahren oder Verfahren mittels Schichtauftragstechnik zusammengefasst.
Bei 3D-Druckverfahren werden Düsen für einen tröpfchenförmigen Materiaiauftrag verwendet, die üblicherweise in Druckköpfen zusammengefasst sind. In solchen 3D-Druckverfahren eingesetzte Druckköpfe bestehen in der Regel aus mehreren Komponenten. Einen wesentlichen Bestandteil bilden dabei sogenannte Druckmodule mit einer begrenzten Anzahl einzeln ansteuerbarer Düsen. Die Düsen arbeiten nach einem Drop-On-Demand Prinzip mit üblicherweise piezoelektrischen Aktuatoren, die bei Anlegen eines entsprechenden Stromimpulses zum Ausstoß eines Tropfens pro angesteuerter Düse führen. Die Tropfen sind dabei relativ klein und weisen Durchmesser von zum Teil weniger als 50 μηη auf.
Die Druckmodule verfügen neben den elektrischen Anschlüssen auch über eine Fluidzuleitung, die in der Regel zu einem Fluidreservoir führt, das sich vorzugsweise oberhalb der Düsen befindet. Die Druckmodule befinden sich in einer Aufnahme, die eine genaue Ausrichtung mehrerer Module zueinander zulässt.
Aus der Größe der Tropfen ist ersichtlich, dass die Abweichung der Düsenpositionen zueinander in jedem Fall deutlich kleiner sein muss als der Tropfendurchmesser und damit in der Regel nur wenige pm beträgt. Eine Aufnahme sollte daher möglichst steif ausgeführt sein, um statisch und dynamisch eine einmal gewählte Positionierung der Druckmodule genau beizubehalten zu können.
Die Anforderungen an die Steifigkeit einer solchen Aufnahme sind in diesem Fall sehr hoch, da sich eine Verbiegung der Aufnahme um wenige pm bereits in einer unakzeptablen Verschiebung der Druckmodule zueinander äußern würde.
Daneben verfügt ein Druckkopf über Sensoren zur Detektion der Fluidtemperatur, eventuell Einrichtungen zum Temperieren der Module und des Fluides, Sensoren zur Füllstandskontrolle und Elektronik zur Verarbeitung der elektrischen Signale.
Aus alledem ist leicht ersichtlich, dass der gesamte Druckkopf eine nicht unerhebliche Masse aufweist. Diese Masse wird über einen sogenannten Druckkopfhalter aufgenommen, der den Druckkopf, je nach Ausführung des Gerätes, mit dem Gestell oder dem bewegten Schlitten einer Bewegungseinheit verbindet.
Weiterhin ist es erwünscht, den Druckkopfhalter derart auszugestalten, dass der Druckkopf in alle Richtungen zum Baufeld ausgerichtet und der Abstand zum Baufeld eingestellt werden kann.
Dieser Abstand zum Baufeld beträgt in der Regel wenige mm, üblicherweise 1 bis 3 mm. Diesen Abstand überwinden die kleinen Tropfen mit einer Düsenaustrittsgeschwindigkeit von üblicherweise 5 - 10 m/s. Aufgrund der relativen Bewegung von Druckkopf zu Baufeld beim Beschreiben des Baufeldes entsteht eine Luftströmung parallel zum Spalt, die zum versetzten Auftreffen der Tröpfchen auf dem Baufeld führt. Ändert sich der Abstand des Druckkopfes zum Baufeld während eines Druckvorganges, ändert sich auch der Versatz. Tolerierbare Abweichungen liegen hier wieder im Bereich kleiner der Tropfengröße also im Bereich weniger pm. Insofern ist es wichtig, den Abstand genau einstellen zu können und über den gesamten Bauprozess zu halten.
Nach dem Stand der Technik werden die Druckköpfe zentral von standardisierten Positioniertischen zur Höheneinstellung und Goniometern zur Winkeleinstellung aufgenommen. Die Anbindung an eine Verfahreinheit erfolgt dabei beispielsweise über einen Metallwinkel. Der Metallwinkel ist horizontal drehbar gelagert und über eine Einbaumessschraube einstellbar.
Weitere werkzeuglos einstellbare Druckkopfhalterungen sind beispielsweise aus der DE69707192 T2 oder der DE 69012292 T2 bekannt, die sich aber auf kompaktere und leichtere Druckköpfe, die in einer wenig aggressiven Medienumgebung arbeiten, beschränken. Andere Halterungen, wie beispielsweise in der DE 4005340 C2 beschrieben, beziehen sich auf ortsfeste Druckköpfe.
Die Druckköpfe werden beim Auftragsprozess meist über lineare Verfahrsysteme über das Baufeld bewegt beziehungsweise das Baufeld bewegt sich unter den stehenden Druckköpfen hindurch. Je nach Anzahl der Düsen, Größe des Baufeldes und gewünschter Auflösung sind
unterschiedlich viele zeitintensive Bewegungsvorgänge notwendig, um mit den Druckköpfen das Baufeld vollständig zu beschreiben. Es liegt daher nahe, die Auftragsgeschwindigkeit zu steigern, indem die Anzahl der Düsen erhöht wird.
Nur ein Druckweg ist beispielsweise dann nötig, wenn sich der Druckkopf über eine gesamte Seite des Baufeldes erstreckt und die Zahl und Anordnung der Düsen ausreicht, um die gewünschte Auflösung zu erzielen. Vorteilhaft ist deshalb die Verwendung eines möglichst großen Druckkopfes mit vielen Düsen und damit einer großen Schreibbreite, der einen möglichst großen Teil einer Seite des Baufeldes abdeckt und bedrucken kann.
Die Schreibbreite des Druckkopfes hat aufgrund der Steifigkeltsanforderungen innerhalb des Druckkopfes beziehungsweise der notwenigen Aggregate im Druckkopf direkte Auswirkung auf die Dimension und Masse des Druckkopfes, wie oben auch schon näher ausgeführt wurde. Das Verhältnis Druckkopfmasse zu Schreibbreite steigt mit zunehmender Druckkopfbreite von 7 cm auf 100 cm konstruktiv bedingt von ca. 0,3 kg/cm auf etwa 1 kg/cm.
Die Anforderungen an die Steifigkeit und Einstellbarkeit einer Druckkopfhalterung steigen damit mit der Erhöhung der Schreibbreite erheblich. Bei entsprechender Ausdehnung der Schreibbreite des Druckkopfes im Bereich von mehr als 100 mm, können Druckkopfhalterungen nach dem Stand der Technik nicht mehr eingesetzt werden.
Eine Halterung nach dem Stand der Technik mit einem Positioniertisch ist nicht eigensteif, und kann die entstehenden Prozesskräfte eines schweren Druckkopfes nicht übertragen. Weiter sind derartige Positioniertische durch ihre aufwendige Führungen und
Gewindespindeln sehr anfällig gegen Verschmutzung. Eine sichere Klemmung ist meist nicht möglich.
Eine Winkeleinstellung mit Goniometer sollte sinnvoller Weise nur an einem Punkt vorgenommen werden. Eine Aufhängung an nur einem Punkt, lässt sich durch die großen Hebelkräfte nur mit einer überdimensionierten, schweren Aufhängung realisieren. Weiter kann eine zentrale Anordnung nur zwischen Lineartisch und Druckkopf stattfinden, was den Apparat unnötig vergrößert.
Die Momentenbelastung auf die Druckkopfhalterung ist durch die hohen Beschleunigungswerte und bei hoher Druckkopfmasse derart hoch, dass der Druckkopf durch seine Breite nicht mehr zentral aufgehängt werden kann.
Die Einstellvorrichtung muss derart massiv ausgeführt werden, dass sie den hohen Kräften standhält und dennoch fein justiert werden kann. Dabei muss die Halterung auch so steif ausgeführt sein, dass sich keine störenden Schwingungen einstellen können.
Da die Zugänglichkeit eines Druckkopfes in einer Maschine begrenzt ist, muss der Einstellvorgang leicht und schnell von statten gehen.
Dazu muss die Einstellsituation gut ersichtlich sein, und sich auf wenige intuitive Handgriffe, mit wenigen einheitlich Werkzeuge reduzieren.
Um bleibende Druckqualität zu gewährleisten dürfen sich die Einstellungen auch keinesfalls nachträglich ändern. Die Klemmtechnik des Einstellapparates darf in diesem Fall die Einstellungen nicht beeinflussen. Klemm- und Einstellrichtung müssen dazu voneinander getrennt sein.
Weiter muss die Klemmung so fest sein, dass die Prozesskräfte und evtl. auftretenden Schwingungen die eingestellten Werte nicht beeinflussen können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Druckkopfhalterung für ein 3D-Druckgerät zur Verfügung zu stellen, die für Druckköpfe mit einer Schreibbreite von mehr als 100 mm eine einstellbare und steife Anbindung an eine Verfahreinheit oder ein Gestell gewährleistet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß einer Vorrichtung nach
Patentanspruch 1 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun also eine Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Modelle mittels Schichtauftragstechnik bereitgestellt, bei der mindestens ein Druckkopf zum selektiven tropfenweisen Dosieren mindestens eines Materials auf eine Zielfläche vorgesehen ist. Der Druckkopf steht dabei an zwei beabstandeten Punkten mit einer Aufnahme in Eingriff. Weiterhin ist über diese beiden Punkte Lage und Ausrichtung des Druckkopfes relativ zur Zielfläche in allen Raumrichtungen stufenlos einstellbar und die Aufnahme und die Zielfläche sind relativ zueinander verschiebbar.
Hierbei ist gemeint, dass entweder der Druckkopf einen relativ zur Zielfläche verschieblichen Bewegungsmechnismus in
Zielflächenebenenrichtung aufweist oder aber die Zielfläche relativ zum Druckkopf in Zielflächenebenenrichtung verschiebbar ist.
Unter Aufnahme ist hier nicht notwendigerweise ein einziges Bauteil zu verstehen. Eine Aufnahme kann gemäß der vorliegenden Erfindung aus verschiedenen Bauteilen zusammengesetzt sein. Gegebenenfalls kann die Einheit auch Aufnahmeapparat genannt werden.
Die Punkte bezeichnen örtlich begrenzte Bereichein denen die Lage des Druckkopfes auf relativ einfache Art und Weise eingestellt werden kann.
Vorzugsweise steht hierbei der Druckkopf an einer eigensteifen Platte außerhalb des Druckbereiches mittels zweier Aufnahmeglieder in den Punkten mit der Aufnahme in Eingriff.
Mit einer solchen vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung wird es möglich, die Vorrichtung besonders einfach auf und abzubauen. Die Anbindung über nur zwei Punkte beziehungsweise Bereiche ermöglicht, dass jede Einstellung eindeutig darstellbar ist und statisch bestimmt fixiert werden kann.
Sind gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Aufnahmeglieder drehbar in den Aufnahmepunkten gelagert, insbesondere als Rundstangen ausgebildet, so kann die Einstellbarkeit sehr effektiv erreicht werden.
Eine besonders steife Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung kann erreicht werden, wenn die Aufnahmeglieder fest mit der Aufnahme verbunden sind.
Eine noch bessere und einfachere Einstellbarkeit der Düsenplatte kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung häufig erreicht werden, wenn die Aufnahmeglieder mit zur Platte im Wesentlichen parallel angeordneten Hebelarmen in Eingriff stehen.
Weiterhin kann es auch vorteilhaft sein, wenn bei einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung die Hebelarme jeweils in einer Ebene
der Düsenplatte bezüglich des Winkels und senkrecht zur Ebene der Düsenplatte frei und stufenlos einstellbar sind.
Besonders bevorzugt können zur Einstellung der Lage und Ausrichtung des Druckkopfes relativ zur Zielfläche die Hebelarme mit den
Aufnahmegliedern verklemmt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann daher eine Vorrichtung mit einem Einstellapparat vorgesehen sein, bei dem zwei Rundstangen seitlich den Druckkopf in den Aufnahmepunkten halten und selbst in auskragenden Hebeln in allen Richtungen
einstellbar gelagert sind.
Da mit der Masse des Druckkopfes die Beschleunigungswege und damit auch die Maschinenabmessungen zunehmen und der Druckkopf möglichst breit gewählt wird, liegt hohe Priorität in einem niedrigen Gewicht der Druckkopfhalterung, was gemäß einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erzielt wird.
Da das Verhältnis von Steifigkeit und Gewicht der Vorrichtung möglichst hoch sein sollte, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Einstellapparat mit wenigen, multifunktionalen und steifen Teilen bereitgestellt.
Um die Maschinenabmessungen klein zu halten, muss auch die Druckkopfhalterung möglichst platzsparend ausgestaltet sein. Der Einstellapparat gemäß der vorliegenden Erfindung ist daher kompakt und liegt nicht wie bei Halterungen nach dem Stand der Technik zwischen Druckkopf und dem Schlitten.
Dadurch, dass die Halterung und Druckkopf modular austauschbar aufgebaut sind, wird eine hohe Verfügbarkeit der Anlage gesichert. Zur
Gewährleistung einer schnellen Austauschbarkeit, ist der Druckkopf nach einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung samt Halterung leicht von der Verfahreinheit oder dem Gestell trennbar, da der Einstellapparat wenige, leicht lösbare Verbindungen aufweist.
Durch den unkomplizierten, offenen und leicht zu reinigenden Aufbau der Vorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Druckkopf neben den aggressiven flüssigen Druckmedien gegebenenfalls auch den zu bedruckenden Medien wie beispielsweise feinen, abrasiven Pulvermaterialien problemlos ausgesetzt werden.
Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist kostengünstig realisierbar und gut verfügbar, da die Funktionsbauteile leicht in gängigen Fertigungsverfahren herstellbar sind.
Zur näheren Erläuterung wird die Erfindung anhand bevorzugter
Ausführungsbeispiele in den folgenden Zeichnungen dargestellt.
In der Zeichnung zeigt dabei:
Figur 1 eine seitliche Ansicht eines Druckkopfes mit Halterung nach dem Stand der Technik;
Figur 2 eine Ansicht von oben eines Druckkopfes mit Halterung nach dem Stand der Technik;
Figur 3 einen Schrägriss eines Druckkopfes mit Halterung nach dem Stand der Technik;
Figur 4 eine Darstellung der Anordnung der Bewegungsachsen eines Druckkopfes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 5 eine Schnittdarste!lung durch eine Hälfte eines Einstellapparates beziehungsweise einer Haltevorrichtung einer bevorzugen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 6 eine Seitenansicht einer Hälfte des Einstellapparates beziehungsweise der Haltevorrichtung nach Figur 5;
Figur 7 eine vergrößerte Darstellung der Schnittdarstellung durch eine Hälfte des Einstellapparates beziehungsweise der Haltevorrichtung nach Figur 5;
Figur 8 eine weitere Schnittdarstellung des Einstellapparates nach Figur 5;
Figur 9 einen Schrägriss des Einstellapparates beziehungsweise der Haltevorrichtung mit Kennzeichnung der Freiheitsgradenach Figur 5; und
Figur 10 eine modellhafte Darstellung der Lagersituation der
Einsteilvorrichtung nach Figur 5.
Figur 1,2 und 3 zeigen einen Aufbau eines Druckkopfes in einer
Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau von Modellen nach dem Stand der Technik.
Der Druckkopf 20 wird hier mit einer Lineareinheit 19, bestehend aus Antrieb und Führung, über eine Zielfläche bewegt. Die Einstellung des Druckkopfes 20 senkrecht zur Zielfläche erfolgt über einen
handelsüblichen Positioniertisch 16.
Die Aufnahme an der Lineareinheit 19 ist aus einem Metallwinkel 17 gebildet. Der Metallwinkel 17 ist in der Aufnahme drehbar gelagert und
über eine Einbaumessschraube 21 einstellbar, so dass der Winkel des Druckkopfes 20 in der Düsenplattenebene über die Winkelverstellung 18 eingestellt werden kann. Weitere Einstellmöglichkeiten bestehen bei einer solchen Vorrichtung nach dem Stand der Technik nicht.
Figur 4 zeigt die Draufsicht auf eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Druckkopf 8 ist auch in diesem Fall an einer Lineareinheit 14 befestigt, die zusammen mit einem weiteren Lineareinheiten-Achsenpaar 15 ein orthogonal ausgerichtetes Portal ergeben. Damit kann die innerhalb des Portals liegende Zielfläche beschrieben beziehungsweise bedruckt werden.
Während eines Aufbau prozesses mittels Schichtaufbautechnik wird der Druckkopf 8 zuerst auf der Lineareinheit 14 auf einen ersten
Druckstreifenbereich positioniert. Im nächsten Prozessschritt verfährt das Achsenpaar 15 die Achse 14 mit konstanter Geschwindigkeit über die Zielfläche. Dabei wird ein Streifen, der ungefähr der Druckkopf breite entspricht selektiv bedruckt. Vor der Rückfahrt des Druckkopfes auf der Druckachse 14 wird der Druckkopf 8 mit der Lineareinheit 15 um eine Druckstreifenbreite versetzt.
Der Druckkopf 8 ist über eine Halterung fest mit dem bewegten
Schlitten der Achse 14 verbunden. Für ein optimales Druckbild muss die Düsenreihe im Druckkopf 8 exakt senkrecht zur Druckrichtung (X- Richtung) ausgerichtet werden. Weiter müssen der Abstand und die Parallelität der Düsenplatte zur Zielfiäche exakt einstellbar sein.
Bezugnehmend auf die Figuren 5 bis 10 wird eine bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher erläutert.
Gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform wird der Druckkopf 8 unten an einer eigensteifen Düsenplatte 12, in diesem Fall auch dem
Schwerpunkt von massiven Rundstangen 7 in zwei beabstandeten Punkten 22 aufgenommen.
Für eine stabile Anbindung der Rundstangen 7 an die Düsenplatte 12 sind runde Passungen in der Düsenplatte 12 vorgesehen. Weiter wird jede Stange 7 mit einer einzelnen Schraube 13, leicht zugänglich von unten durch die Düsenplatte 12 verschraubt.
Mit einer solchen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine einfache, kostengünstige, stabile, hochsteife Verbindung bei schneller Demontagemöglichkeit des Druckkopfes 8 von der
Druckkopfhalterung 12 gewährleistet. Dabei bildet der in Figur 23 gezeigte Bereich die Aufnahme 23.
Die Stangen 7, und damit auch der gesamte Einstellapparat werden seitlich des Druckkopfes 8 angeordnet. Damit wird Platz in
Druckrichtung eingespart und ein kompakter, gut zugänglicher
Systemaufbau ermöglicht.
Die Rundstangen 7 sind durch ihre Formgebung drehbar in Hebelarmen 2 gelagert. Die Hebelarme 2 sind seitlich, oberhalb der Düsenplatte 12 angeordnet.
Die Stange 7 zeichnet sich damit gleichzeitig als Bindeglied und
Einstellkomponente aus und kommt so der Anforderung möglichst weniger und gut reinigbarer Komponenten nach.
Die Stangen 7 verfügen gemäß der gezeigten bevorzugten
Ausführungsform oberhalb des Hebelarmes 2 über Gewinde, so dass sie über klemmbare Muttern 1 in den Hebelarmen 2 in alle Richtungen, torsionsfrei fixiert werden können.
Jeder Hebelarm 2 ist an der den Rundstangen 7 abgewandten Seite drehbar auf einem Haltezylinder 6 gelagert. Auf dieser Seite ist eine geschlitzte zylindrische Bohrung im Hebelarm 2 vorgesehen und kann daher mit Schrauben 5 klemmbar ausgeführt werden. Mit dieser
Klemmung kann eine vorgenommene Einstellung des Druckkopfes 8 einflussfrei gesichert werden.
Beide Haltezylinder 6 sind steif mit einem Schlitten der Verfahreinheit 14 verbunden. Hierbei kann über ein Einstellrad 3 eine horizontale Verschiebung stattfinden.
Lösung und Feststellen einer Druckkopf Position:
1. Höhenversteliunq
Die Haltezylinder 6 verfügen an Ihrer Oberseite über einen Bolzen mit einem Außengewinde.
Eine Einstellmutter 4 stützt sich am Gewindebolzen des Haltezylinders 6 ab, und trägt den Hebelarm 2 über ein mit ihm fest verbundenes Axiallager 9.
Durch Herausdrehen der Mutter 4 wird der Abstand des Druckkopfs 8 zum Baufeld beziehungsweise der Zielfläche vergrößert. Nach
Einstellung der Höhe wird der Hebelarm 2 über die Klemmschrauben 5 fest am Haltezylinder 6 fixiert. Die Klemmbewegung weicht von der Einstellrichtung ab und kann so eine vorgenommene Einstellung nicht beeinflussen.
Wird die Anbindung der Haltezylinder 6 an der Düsenplatte 12 als Gelenklager, das heißt die Beweglichkeit beträgt nach Grübler drei, ausgeführt, ist eine weite horizontale Winkeleinstellung der Düsenplatte
12 zur Unterseite möglich. Dazu wird dann nur ein Hebelarm 2 in der Höhe verstellt.
Ist der Abstand zwischen den beiden Hebelarmen 2 ausreichend groß, ist ebenfalls eine Winkeleinstellung möglich.
Da üblicherweise nur kleine Winkel eingestellt werden, ist eine geringe Verwindung des Apparates akzeptabel.
2. Winkelverstelluna
Für eine hohe Auflösung des Druckbildes werden die in Druckrichtung hintereinander liegenden Düsen an der Druckkopf Unterseite genau zueinander ausgerichtet.
Zur Ausrichtung der Düsen muss dazu der Winkel des Druckkopfs 8 zur Verfahrrichtung eingestellt werden.
In der vorliegenden Ausführung ist bei mindestens einem Hebelarm 2, die Aufnahmebohrung für die Rundstange 7 als Langloch in
Hebelrichtung ausgeführt. In diesem Langloch wird die Rundstange 7 spielfrei geführt. Die Rundstange 7 ist durch ihre Außenkontur für eine Winkeleinstellung im Langloch um ihre Achse drehbar gelagert.
Zur genauen stufenlosen Einstellung trägt die Rundstange 7 in einer axialen Bohrung ein Zylinderstück 10, das quer zu seiner Achse ein Gewinde aufweist.
Am Hebelarm 2 ist ein Stellbolzen 11 axial spielfrei gelagert, mit dessen Feingewinde die Position der Rundstange 7 im Hebelarm 2 über das Zylinderstück 10 stufenlos eingestellt wird.
Die Rundstange 7 ist dazu so am Umfang geschlitzt, dass das Gewinde des Zylinderstücks 10 vom Stellbolzen 11 erreichbar ist.
Zusammenfassend ist die Vorrichtung so gestaltet, dass sie bei der horizontalen Einstellung statisch bestimmt gelagert ist.
Dabei bedeuten die einzelnen Zeichen: F: Freiheitsgrad
B: Bewegungstyp (B = 3 für ebene Anordnungen)
G: Anzahl der Gelenke
bi: Beweglichkeit des Gelenks i
si: eingehaltene Sonderabmessungen
n: Anzahl der Elemente
Betrachtet man die Lagerung der Haltevorrichtung im offenen Zustand nach obiger Gleichung ohne die vertikale Beweglichkeit zu
berücksichtigen, so kann man eine horizontal statisch bestimmte Lagerung gemäß Figur 10 finden.
Der Druckkopf wird dabei von zwei Hebelarmen 2 gehalten, die an jedem Ende horizontal drehbar gelagert sind. Je ein Drehlager eines Hebelarms 2 ist auf einer Seite fest mit dem Druckkopf und auf der anderen Seite fest mit dem Schlitten der Druckkopfverfahreinheit verbunden.
Weiter ist mindestens einer der Hebelarme 2 als Linearlager mit einem Drehfreiheitsgrad ausgeführt.
Wird eines der Drehlager während der horizontalen Winkeleinstellung fixiert, ergibt sich folgende Lagersituation.
Die Gesamtzahl der vorliegenden in Verbindung stehenden
Konstruktions-elemente beträgt dann 4, die Anzahl Gelenke 5.
Die Grüblergleichung ergibt dann:
JF = 5 -(4-l -5)+5 -l = l
Die gesamte Anordnung ist damit statisch bestimmt und bedarf keiner Sonderabmessungen.
Sind alle Positionen eingestellt wird die Haltevorrichtung über die Klemmschrauben 5 im Hebelarm 2 und über die Klemmmutter 1 an der Rundstange 7 fixiert.
Die Klemmrichtung ist unabhängig von der Einstellrichtung, so dass die vorgenommene Einstellung beim Klemmen nicht beeinflusst wird. Die Stangen 7 und Hebel 2 sind massiv und halten durch Ihre Form und die konstruktiv kurz gehaltenen Hebel hohen Biege und Torsionsmomenten stand.
Durch die Formgebung der Rundstangen 7 ist eine einfache gut ersichtliche Einstellung in alle Richtungen möglich.
Die Einsteilvorrichtung reduziert sich auf wenige kompakte aber hochsteife Teile. Gute Zugänglichkeit bei kleinen Bauabmessungen und niedrigen Herstellungskosten werden damit möglich.
Der Einstellmechanismus ist kompakt, und kann resistent gegenüber den Prozessmedien ausgeführt werden. Alle Komponenten lassen sich gut reinigen.
Die Stangen 7 und damit der gesamte Einstellapparat werden seitlich des Druckkopfes angeordnet. Damit wird Bauraum in Druckrichtung gespart. Die Rundstangen 7 sind durch ihre Formgebung drehbar in Hebelarmen 2 gelagert. Die Stange zeichnet sich gleichzeitig als Bindeglied und Einstellkomponente aus.
Bezugszeichenliste
Mutter
Hebelarme
Einstellrad
Einstellmutter
Schraube
Haltezylinder
Stangen
Druckkopf
Axiallager
zylinderstück
Stellbolzen
Düsenplatte
Schraube
Lineareinheit/ Achse
Lineareinheiten-Achsenpaar
Positioniertisch
Metallwinkel
Winkelverstellung
Lineareinheit
Druckkopf
Einbaumessschraube
Punkte
Aufnahme
Claims
1. Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Modelle mittels Schichtauftragstechnik, wobei mindestens ein Druckkopf zum selektiven tropfenweisen Dosieren mindestens eines Materials auf eine Zielfläche vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf (8), an zwei beabstandeten Punkten (22) mit einer Aufnahme (23) in Eingriff steht, über diese beiden Punkte Lage und Ausrichtung des Druckkopfes (8) relativ zur Zielfläche in allen Raumrichtungen stufenlos einstellbar ist und die Aufnahme (23) und die Zielfläche relativ zueinander verschiebbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf (8) an einer eigensteifen Platte (12) außerhalb des
Druckbereiches mittels zweier Aufnahmeglieder (7) in den Punkten mit der Aufnahme (23) in Eingriff steht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeglieder (7) drehbar in den Aufnahmepunkten (22) gelagert, insbesondere Rundstangen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeglieder (7) fest mit der Aufnahme (23) verbunden sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Aufnahmeglieder (7) mit zur Platte (12) im Wesentlichen parallel angeordneten Hebelarmen (2) in Eingriff stehen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelarme jeweils in einer Ebene der Platte (12) bezüglich des Winkels und senkrecht zur Ebene der Platte (12) frei und stufenios einstellbar sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Lage und Ausrichtung des Druckkopfes (8) relativ zur Zielfläche die Hebelarme (2) mit den Aufnahmegliedern (7) verklemmt werden können.
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