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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Auftragen eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, beispielsweise einer Kunststoffschmelze, einer Metallschmelze oder eines Lebensmittels, auf einen Werkstückträger zum Erzeugen eines Werkstücks. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System zum Erzeugen eines Werkstücks mittels des aufgetragenen Fluids, insbesondere einen 3D-Drucker.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen zum präzisen Dosieren und gezielten Auftragen von Fluiden werden in einer Vielzahl von Anwendungen benötigt. Insbesondere bei 3D-Druckern werden Vorrichtungen zum präzisen und dosierten Ausgeben einer Kunststoffschmelze, sogenannte Dosiereinheiten, verwendet, welche eine aufbereitete Kunststoffschmelze in Tropfenform bringen. Der geschmolzene Kunststoff wird mittels Überdruck aus der Dosiereinheit gedrückt. Ein schnellschaltender Düsenverschluss mit hochfrequenter Piezotechnik ermöglicht schnelle Öffnungs- und Schließbewegungen und erzeugt so Kunststofftröpfchen aus der Kunststoffschmelze. Durch Zusammenfügen von aushärtenden Kunststofftröpfen sind Werkstücke erzeugbar.
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In der
US 2012/156319 A1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts aus einem aushärtbaren Material beschrieben, welche mindestens eine Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung des aushärtbaren Materials in einer flüssigen Phase aufweist, um das Material von einem Materialreservoir über eine Abgabeeinheit in Form von diskreten Tropfen in Richtung eines Konstruktionsraums abzugeben. Der Verschlussmechanismus umfasst ein elastisch verformbares Festkörpergelenk.
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Bei den bisher bekannten Konzepten zum Ausgeben einzelner Tropfen für 3D-Druck-Anwendungen muss die Kunststoffschmelze unter Druck mittels einer schnellschaltenden Piezoaktorik aus der Dosiereinheit ausgetragen werden. Eine minimal erreichbare Tröpfchengröße ist aufgrund des zu erreichenden Druckes und der Piezodynamik limitiert. So muss das Schließelement des Düsenverschlusses (die Düsennadel) in der hochviskosen Kunststoffschmelze bewegt werden, was wiederum die Bewegung stark bremsen kann. Zusätzlich ist die Nadel einem sehr hohen Verschleiß ausgesetzt, da viele Polymerschmelzen korrosiv wirken können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und ein System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
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Dementsprechend ist eine Vorrichtung zum Auftragen eines Fluids auf einen Werkstückträger zum Erzeugen eines Werkstücks vorgesehen, mit: einem Reservoir, in welches das Fluid einbringbar ist; einer Auslasseinrichtung, mittels welcher das Fluid aus der Vorrichtung ausgebbar ist; einer Aktoreinrichtung, mittels welcher ein Volumen des Reservoirs zum Erzeugen einer Druckwelle in dem in das Reservoir eingebrachten Fluid verkleinerbar ist; und einer Steuereinrichtung, mittels welcher die Aktoreinrichtung dazu steuerbar ist, das Volumen des Reservoirs derart zu verkleinern, dass das in das Reservoir eingebrachte Fluid aufgrund der erzeugten Druckwelle über die Auslasseinrichtung zumindest teilweise aus der Vorrichtung ausgegeben und auf den Werkstückträger aufgetragen wird.
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Die Druckwelle ist bevorzugt eine Stoßwelle (engl. „shock wave”, auch Schockwelle oder Knallwelle oder Schockfront genannt) und/oder ein Druckpuls. Unter dem Ausgeben eines Fluids aus der Vorrichtung ist insbesondere zu verstehen, dass das als Tropfen ausgegebene Fluid das in dem Reservoir der Vorrichtung zurückgebliebene Fluid sowie die restliche Vorrichtung nicht länger berührt.
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Weiterhin ist ein Verfahren zum Auftragen eines Fluids auf einen Werkstückträger zum Erzeugen eines Werkstücks vorgesehen, mit den Schritten: Einbringen eines Fluids in ein Reservoir mit einer Auslasseinrichtung, mittels welcher das Fluid ausgebbar ist; Verkleinern eines Volumens des Reservoirs derart, dass in dem in das Reservoir eingebrachten Fluid eine Druckwelle derart erzeugt wird, dass das in das Reservoir eingebrachte Fluid über die Auslasseinrichtung zumindest teilweise aus dem Reservoir ausgegeben und auf den Werkstückträger zum Erzeugen des Werkstücks aufgetragen wird.
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Weiterhin ist ein System zum Erzeugen eines Werkstücks vorgesehen, mit: einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausgeben eines Fluids; und einen Werkstückträger, auf welchen das Fluid mittels der Vorrichtung zum Erzeugen des Werkstücks auftragbar ist; wobei die Auslasseinrichtung der Vorrichtung und der Werkstückträger relativ zueinander bewegbar sind.
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Das zu erzeugende Werkstück kann vorzugsweise ein Kunststoffbauteil, eine Leiterbahnenstruktur oder ein Stück Gebäck oder Konfekt sein. Das zu erzeugende Werkstück kann insbesondere ein zwei- oder dreidimensionales Werkstück sein. Der Werkstückträger kann insbesondere ein-, zwei- oder dreidimensional bewegbar sein.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung beschreibt eine Möglichkeit, ein Fluid, insbesondere eine Kunststoffschmelze, ohne den Einsatz eines Düsenverschlusses quasi drucklos tropfenförmig aus einer Vorrichtung zum Ausgeben eines Fluids auszugeben bzw. auszutragen. Somit kann auch eine globale Verdichtung der Kunststoffschmelze sowie auf eine Piezoaktorik und auf ein Schließelement verzichtet werden. Dadurch wird der nötige technische Aufwand zum Herstellen der Vorrichtung vermindert. Zusätzlich sind aufgrund der Vermeidung eines sich in der Kunststoffschmelze bewegenden Schließelements keinerlei minimale Tropfendurchmesser realisierbar, was zu einer verbesserten Oberflächengüte von durch Ausgeben des Fluids zu „druckenden” Aufformen führen kann. Beispielsweise kann mittels eines 3D-Druckers eine Kunststoffschmelze zum Drucken von Bauformen aus Kunststoff verwendet werden, wird als Fluid aber beispielsweise Schokolade oder eine Zuckermasse verwendet, können auch zum Beispiel Dekorationen von Süßwaren gezielt ausgegeben, das heißt „gedruckt” werden. Wird eine Metallschmelze durch die Vorrichtung ausgegeben, können beispielsweise Leistungsbahnen „druckbar” sein.
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Weiterhin bietet das vorliegende erfinderische Prinzip das Potential, auch faserverstärkte Kunststoffe zu verarbeiten, welche mit bisher bekannten Verfahren nur begrenzt verarbeitbar sind.
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Die vorliegende Erfindung beruht zum Teil auf dem Prinzip eines Tintenstrahldruckers. Aufgeschmolzener Kunststoff, als beispielhaftes Fluid, wird in das Reservoir gefördert, welches als einen Auslass ein kleines Loch aufweist. Durch die, verhältnismäßig schnelle, Verkleinerung und anschließende optionale Vergrößerung des Volumens des Reservoirs wird eine definierte Kunststoffmenge ausgetragen, das heißt ausgegeben. Zeitparameter des Verkleinerns, und optional des Vergrößerns, des Volumens des Reservoirs sowie eine Geometrie des Reservoirs und/oder eine Querschnittsfläche der Auslasseinrichtung können dazu dienen, die ausgegebene Menge des Fluids einzustellen oder anzupassen. Eine Oberflächenspannung, insbesondere bei einer geeigneten Flugdauer, kann für die Ausbildung eines einzelnen Tropfens ursächlich sein. Das Fluid füllt vorzugsweise das gesamte Reservoir der Vorrichtung aus.
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Bevorzugt erfolgt das Verkleinern des Volumens des innerhalb eines Zeitraums von zwischen zehn und zweihundert Mikrosekunden.
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Die Aktoreinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass die Druckwelle mit derartigen Parametern, beispielsweise Taktfrequenz, Amplitude, etc., erzeugt wird, dass das Fluid in der gewünschten Menge ausgetragen wird. Dazu kann die Aktoreinrichtung vorzugsweise als ein Wirbelstromaktor ausgebildet sein.
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Besonders vorteilhaft kann die Vorrichtung oder das Verfahren zum Ausgeben eines Fluids mit einer Viskosität von bis zu fünf Pascalsekunden (Pascal mal Sekunde) und/oder bis hin zum Auftreten von strukturviskosen, d. h. scherverdünnenden, Eigenschaften verwendet werden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Aktoreinrichtung eine in einer oder als eine Außenwand des Reservoirs ausgebildete Membran auf, welche die Aktoreinrichtung für das Fluid dicht verschließt und welche zum Verkleinern des Volumens des Reservoirs verformbar, insbesondere elastisch verformbar, ist. Unter einem Verformen der Membran soll insbesondere ein Verändern einer gegenwärtigen Form der Membran verstanden werden, das heißt, dass darunter auch ein Zurückbringen der Membran aus einer ausgebeulten Form in die Form der Membran im Ruhezustand zu verstehen sein soll. Das Zurückbringen der Membran kann aktiv über die Aktorik oder passiv über eine vorgespannte Feder erfolgen.
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Die Membran kann auch zum Vergrößern des Volumens des Reservoirs verformbar sein, insbesondere zum Vergrößern des verkleinerten Volumens des Reservoirs. Die Aktoreinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Membran zum Vergrößern des Volumens des Reservoirs zu verformen. Darunter soll auch verstanden werden, dass die Aktoreinrichtung bewirkt, dass die Membran in eine Ruhelage zurückkehren kann.
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Die Membran der Vorrichtung verhindert, dass andere Elemente der Aktoreinrichtung als die Membran mit dem Fluid in Berührung kommen. Dadurch kann sich eine Lebensdauer der Aktoreinrichtung und somit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbessern. Die Membran ist vorzugsweise metallisch, und weist besonders bevorzugt Chrom auf, besteht aus Chrom oder ist mit Chrom beschichtet.
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Die Aktoreinrichtung kann insbesondere dazu ausgebildet sein, die Membran derart zu verformen, dass aus dem Verformen der Membran eine Druckwelle, insbesondere eine Stoßwelle oder ein Druckpuls, in dem Fluid, welches sich in dem Reservoir befindet, erzeugt wird, welche für das Austragen des Fluids aus der Vorrichtung in einer gewünschten Menge ursächlich ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Aktoreinrichtung einen Kolben auf, mittels welchem die Membran zum Verkleinern, und optional auch zum Vergrößern, des Volumens des Reservoirs verformbar ist. Beispielsweise kann das Volumen des Reservoirs verkleinerbar sein, indem der Kolben die Membran in das Reservoir hinein ausbeult. Vorzugsweise ist der Kolben separat von der Membran ausgebildet. Alternativ kann der Kolben auch fest mit der Membran verbunden ausgebildet sein. Der Kolben kann zum Erzeugen einer Druckwelle in dem Fluid in dem Reservoir durch entsprechendes Verformen der Membran ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Aktoreinrichtung einen mittels der Steuereinrichtung steuerbaren Wirbelstromaktor auf. Der Wirbelstromaktor umfasst eine Spule, welche mit elektrischem Strom derart bestrombar ist, dass, durch Aufgrund des Bestromens der Spule entstehende elektromagnetische Wirbelströme, der Kolben zum Verformen der Membran von der Spule abgestoßen wird. Somit wird eine besonders schnelle Bewegung des Kolbens mit besonders hoher Kraft ermöglicht. Dementsprechend kann eine minimal erreichbare Tröpfchengröße vorteilhaft verkleinert werden. Die Tröpfchengröße kann, abhängig von den konkreten Geometrien und einem Strompulsverlauf, beispielsweise umso kleiner werden, mit je stärkerem Strom die Spule zum Erzeugen der Wirbelströme bestromt wird. Mit je stärkerem Strom die Spule bestromt wird, desto höher ist die Amplitude der Druckwelle. Eine Erhöhung der Amplitude der Druckwelle kann zu einer Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit des Fluids führen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Membran eine elastisch verformbare Membran, welche dazu ausgebildet ist, eine einer Verformung der Membran durch den Kolben entgegenwirkende Kraft auszuüben. Somit kann beispielsweise das Verkleinern des Volumens des Reservoirs durch ein Bewegen oder Drücken des Kolbens gegen die Membran derart erfolgen, dass die Membran in Richtung des Inneren des Reservoirs, insbesondere stoßartig, ausgebeult wird. Das optionale anschließende Vergrößern des Volumens des Reservoirs kann dadurch erfolgen, dass die den Kolben bewegende Kraft erlischt und die Rückstellkraft, welche die verformte Membran aufgrund ihrer Elastizität ausübt, die Ausbeulung der Membran unter Zurückschieben des Kolbens rückgängig macht. Mit anderen Worten kann die Membran einerseits zum Übersetzen eines Kraftimpulses des Kolbens in eine Volumenverkleinerung des Reservoirs und andererseits in eine Rückstellung des Kolbens für eine darauffolgende, optionale Volumenvergrößerung des Reservoirs verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Aktoreinrichtung einen mittels der Steuereinrichtung steuerbaren Magnetaktor auf, mittels welchem Kolben zum Verformen der Membran bewegbar ist. Dazu kann der Kolben magnetisch, insbesondere ferromagnetisch oder paramagnetisch ausgebildet sein. Mittels des Magnetaktors kann der Kolben, beispielsweise wie oben beschrieben, derart bewegt werden, dass er die Membran in Richtung des Inneren des Reservoirs ausbeult und/oder die Membran durch Drücken oder Ziehen in Richtung der Außenseite des Reservoirs ausbeult.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Auslasseinrichtung eine Drossel auf, welche mittels der Steuereinrichtung dazu steuerbar ist, eine Querschnittsfläche eines Auslasses aus dem Reservoir zu verkleinern oder zu vergrößern. Somit kann die Drossel der gewünschten Tropfengröße, in welcher das Fluid abzugeben ist, angepasst werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Verkleinern und/oder ein Vergrößern des Volumens des Reservoirs das Bewegen eines Kolbens zum Verformen einer Membran, welche in einer oder als eine Außenwand des Reservoirs ausgebildet ist, insbesondere zum Erzeugen einer Druckwelle in dem Fluid in dem Reservoir.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Bewegen des Kolbens ein Bestromen einer Spule derart, dass der Kolben durch, aufgrund des Bestromens der Spule entstehende, elektromagnetische Wirbelströme von der Spule abgestoßen wird. Insbesondere kann der Kolben derart abgestoßen werden, dass er dadurch die Membran in Richtung der Innenseite des Reservoirs zum Verkleinern des Volumens des Reservoirs ausbeult, insbesondere zum Erzeugen einer Druckwelle in dem Fluid in dem Reservoir.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Einbringen des Fluids in das Reservoir kontinuierlich oder regelmäßig und/oder nach Maßgabe einer Steuereinrichtung. Dazu kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als eine Fördereinrichtung eine Förderschnecke, insbesondere eine beheizbare Förderschnecke, aufweisen und/oder für das erfindungsgemäße Verfahren eine Förderschnecke, insbesondere eine beheizbare Förderschnecke, verwendet werden. Alternativ kann das Einbringen über einen Strang, d. h. ein Filament erfolgen. Das Filament wird durch eine Fördereinrichtung in das Reservoir gedruckt. Der Wärmeeintrag im Zulauf vor dem Reservoir infolge des FDM Druckprinzips führt zur Aufschmelzung des Filaments.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltdiagramm einer Vorrichtung 10 zum Auftragen eines Fluids F auf einen Werkstückträger zum Erzeugen eines Werkstücks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 110 zum Auftragen eines Fluids F auf einen Werkstückträger zum Erzeugen eines Werkstücks gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Explosionsdarstellung der Vorrichtung 110 aus 2;
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4 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 210 zum Auftragen eines Fluids F auf einen Werkstückträger 240 zum Erzeugen eines Werkstücks gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie ein System 300 zum Erzeugen eines Werkstücks gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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5 ein schematisches Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Auftragen eines Fluids F auf einen Werkstückträger zum Erzeugen eines Werkstücks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltdiagramm einer Vorrichtung 10 zum Auftragen eines Fluids F auf einen Werkstückträger zum Erzeugen eines Werkstücks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 10 weist ein Reservoir 12 auf, in welches das Fluid F einbringbar ist. Gemäß einigen Weiterbildungen kann das Fluid aus einer Heizeinrichtung in das Reservoir 12 eingebracht werden, insbesondere, wenn das Fluid F gegenüber einer Umgebungstemperatur erhitzt werden muss, um flüssig zu werden oder eine für das Ausgeben durch die Vorrichtung günstige Betriebstemperatur und/oder Viskosität zu erlangen.
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Die Vorrichtung 10 weist außerdem eine Aktoreinrichtung 20 auf, mittels welcher das Volumen des Reservoirs 12 zum Erzeugen einer Druckwelle in dem in das Reservoir 12 eingebrachten Fluid F verkleinerbar und, optional insbesondere nachdem es verkleinert wurde, vergrößerbar ist. Insbesondere kann das Volumen des Reservoirs 12 gegenüber einem Standardvolumen des Reservoirs 12, welches das Reservoir 12 im Normalzustand, das heißt beispielsweise bei deaktivierter Aktoreinrichtung 20 aufweist, verkleinerbar und danach wieder vergrößerbar sein. Das nach dem Verkleinern wiederum vergrößerte Volumen des Reservoirs kann dem Standardvolumen oder einem größeren Volumen als das Standardvolumen entsprechen.
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Weiterhin weist die Vorrichtung 10 eine Auslasseinrichtung 14 auf, mittels welcher das Fluid F aus dem Reservoir 12, insbesondere damit auch aus der Vorrichtung 10, ausgebbar ist. Die Aktoreinrichtung 20 ist mittels einer Steuereinrichtung 30 über ein von der Steuereinrichtung 30 erzeugtes erstes Steuersignal 51 dazu steuerbar, das Volumen des Reservoirs 12 derart zu verkleinern, dass das in das Reservoir 12 eingebrachte Fluid F über die Auslasseinrichtung 14 zumindest teilweise aus dem Reservoir 12 und somit, im vorliegenden Fall, auch aus der Vorrichtung 10, austritt und auf einen Werkstückträger auftragbar ist.
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Dazu erzeugt die Aktoreinrichtung 20 bei dem Verkleinern des Volumens des Reservoirs 12 eine Druckwelle in dem Fluid F in dem Reservoir 12. Weiterhin kann die Aktoreinrichtung 20 mittels der Steuereinrichtung 30 dazu steuerbar sein, nach dem Austreten des Fluids F aus dem Reservoir 12 das veränderte Volumen des Reservoirs 12 derart zu vergrößern, dass ein Zustand vor dem Verkleinern des Volumens des Reservoirs 12 wiederhergestellt ist. Somit ist der Vorgang des Ausgebens des Fluids F aus dem Reservoir 12, etwa zum „Drucken” eines Objekts mittels eines sich verhärtenden Fluids, wiederholbar.
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2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 110 zum Auftragen eines Fluids F auf einen Werkstückträger zum Erzeugen eines Werkstücks gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 110 ist eine Variante der Vorrichtung 10 und weist im Vergleich zu dieser weitere Merkmale auf:
Die Aktoreinrichtung 120 der Vorrichtung 110 weist eine Membran 22 auf, welche vorzugsweise in einer oder als eine Außenwand des Reservoirs 12 ausgebildet ist. Die Membran 22 verschließt die Aktoreinrichtung 120 für das Fluid F, das heißt das Fluid F kann außer der Membran 22 keinen Teil der Aktoreinrichtung 120 berühren oder benetzen. Durch Ausbeulen der Membran 22 in Richtung eines Inneren 13 des Reservoirs 12 ist das Volumen des Reservoirs 12 verkleinerbar. Durch Ausbeulen der Membran 22 in eine Richtung, welche aus dem Inneren 13 des Reservoirs 12 nach außen zeigt, ist das Volumen des Reservoirs 12 vergrößerbar.
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Die Aktoreinrichtung 120 weist weiterhin einen Kolben 24 auf, mittels welchem die Membran 22 in der beschriebenen Weise zum Verkleinern, und optional zum Vergrößern, des Volumens des Reservoirs 12 verformbar, insbesondere ausbeulbar ist. Der Kolben 24 kann mit der Membran 22 fest verbunden sein oder nur lose an die Membran 22 anlegbar sein. Insbesondere im letzteren Fall kann die Aktoreinrichtung 120 eine Kolbenführung 23 aufweisen, innerhalb welcher der Kolben 24 bewegbar und auf die Membran 22 hin oder von der Membran 22 weg führbar ist.
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Die Aktoreinrichtung 120 weist weiterhin eine Spule 27 auf, welche in Bezug auf den Kolben 24 derart angeordnet und ausgebildet ist, dass bei Bestromen der Spule 27 mit einem entsprechenden elektromagnetischen Strom sich in dem Kolben 24 elektromagnetische Wirbelströme aufbauen, durch welche der Kolben 24 und die Spule 27 sich gegenseitig abstoßen. Die Spule 27 ist relativ zu der Aktoreinrichtung 120 und dem Reservoir 12 fixiert, während der Kolben 24 innerhalb der Kolbenführung 23 beweglich ist. Der von der Spule 27 abgestoßene Kolben wird durch die Kolbenführung 23 derart geführt, dass der von der Spule 27 abgestoßene Kolben 24 die Membran 22 in Richtung des Inneren 13 des Reservoirs 12 ausbeult, wie oben beschrieben. Durch die kurzfristige Druckerhöhung innerhalb des Reservoirs 12 wird ein Tropfen aus der Vorrichtung ausgegeben bzw. ausgetragen, wie im Folgenden näher erläutert.
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Die Aktoreinrichtung 120 kann zum Bestromen der Spule 27 eine Strom- und/oder Spannungsquelle aufweisen oder an eine solche Strom- und/oder Spannungsquelle anschließbar sein.
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Die Membran 22 kann als elastisch verformbare Membran 22 ausgebildet sein, so dass eine der Membran 22 inhärente elastische Rückstellkraft eine Verformung der Membran 22 durch den Kolben 24 entgegenwirkt. Somit kann die Membran 22 eine Rückstellung des Kolbens 24 und somit eine Vergrößerung des Volumens des Reservoirs 12, beispielsweise auf das Standardvolumen des Reservoirs 12, bewirken, so dass ein Ausgangszustand vor dem vorbeschriebenen Verkleinern des Volumens des Reservoirs 12 wiederhergestellt ist.
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Die Auslasseinrichtung 114 der Vorrichtung 120 weist eine Drossel 16 auf, welche einen Auslass 15 umfasst, durch welchen das Fluid F aus dem Reservoir 12 und somit aus der Vorrichtung 110 heraus abgebbar und auf den Werkstückträger auftragbar ist. Eine Querschnittsfläche des Auslasses 15 kann entsprechend einer gewünschten Tröpfchengröße des ausgegebenen Fluids F ausgebildet sein. Die Drossel 16 ist als Teil einer Drosselplatte 17 ausgebildet, welche bei der Vorrichtung 110 eine Außenseite des Reservoirs 12 bildet.
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Die Vorrichtung 110 weist außerdem eine Heizeinrichtung 32 auf, mittels welcher das Fluid F oder ein Ausgangsstoff des Fluids F auf eine Betriebstemperatur des Fluids F bringbar, insbesondere heizbar ist. Beispielsweise kann ein der Heizeinrichtung 32 zuleitbares Granulat oder Filament mittels der Heizeinrichtung 32 geschmolzen und/oder erhitzt werden, um ein flüssiges Fluid F, insbesondere mit einer für einen gewünschten Verwendungszweck ausreichend niedrigen Viskosität, zu erhalten. Das Fluid F ist mittels einer Leitung 34 von der Heizeinrichtung 32 in das Reservoir 12 einbringbar. Alternativ kann die Heizeinrichtung der Vorrichtung 110 auch als eine entlang der Leitung 34 ausgebildete Heizspule ausgebildet sein. Die Leitung 34 kann eine Förderschnecke aufweisen.
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3 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung der Vorrichtung 110. Zusätzlich zu den in 2 dargestellten Merkmalen sind in 3 weiterhin ein optionales Gehäuse 42 und eine Deckplatte 44 dargestellt, zwischen welchen eine Leistungselektronik 40 als Steuereinrichtung 30 eingehaust ist. Wie in 3 angedeutet, können die Spule 27, der Kolben 24, die Kolbenführung 23, die Membran 22, das Reservoir 12 und/oder der Auslass 15 rotationssymmetrisch um eine gemeinsame Rotationssymmetrieachse A ausgebildet sein. Dadurch kann eine Gleichförmigkeit des Fluids F in dem Reservoir 12 sowie bei der Ausgabe aus der Vorrichtung 110 verbessert sein.
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4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 210 zum Auftragen eines Fluids F auf einen Werkstückträger zum Erzeugen eines Werkstücks 240 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie ein System 300 zum Erzeugen eines Werkstücks gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 210 ist eine Variante der Vorrichtung 110 und unterscheidet sich von dieser darin, dass die Drossel 216 mittels der Steuereinrichtung 30 über ein von der Steuereinrichtung 30 erzeugtes zweites Steuersignal 52 steuerbar ist, eine Querschnittsfläche des Auslasses 15 zum Anpassen einer gewünschten Tröpfchengröße des ausgegebenen Fluids F anzupassen.
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Gemäß 4 ist das System 300 als die Vorrichtung 210 umfassend dargestellt. Das System 300 kann alternativ anstelle der Vorrichtung 210 auch die Vorrichtung 10, die Vorrichtung 110, oder jegliche beschriebene oder implizierte Ausführungsform oder Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen.
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Neben der Vorrichtung 210 umfasst das System 300 einen ein-, zwei-, oder dreidimensional bewegbaren Werkstückträger 240. Eine Bewegung des Werkstückträgers 240 kann mittels eines Aktors 242 des Werkstückträgers 240 bewirkt werden. Der Aktor 242 kann mittels der Steuereinrichtung 30 der Vorrichtung 210 mittels eines von der Steuereinrichtung 30 erzeugten dritten Datensignals 53 steuerbar sein, sodass das zu erzeugende Werkstück durch Zusammenwirken des Ausgebens des Fluids F durch die Vorrichtung 210 mit der Bewegung des Werkstückträgers 240 erzeugt wird.
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Alternativ kann der Aktor 242 des Werkstückträgers 240 mittels einer von der Vorrichtung 210 separaten System-Steuereinrichtung steuerbar sein. Die System-Steuereinrichtung kann auch zum Steuern der Steuereinrichtung 30 der Vorrichtung 210 ausgebildet sein. Das System 300 kann auch als eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung angesehen werden, insbesondere können die Vorrichtung 210 und der Werkstückträger 240 in einer einzigen Vorrichtung als einem System 300 integriert sein.
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5 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Auftragen eines Fluids F auf einen Werkstückträger zum Erzeugen eines Werkstücks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann vorzugsweise mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder einem erfindungsgemäßen System durchgeführt und/oder entsprechend Weiterbildungen der Vorrichtung oder des Systems angepasst werden, und umgekehrt.
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In einem Schritt S01 wird ein Fluid F in ein Reservoir 12 mit einer Auslasseinrichtung 14, aus welcher das Fluid F ausgebbar ist, eingebracht.
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In einem Schritt S02 wird ein Volumen des Reservoirs 12 derart verkleinert, dass das in das Reservoir 12 eingebrachte Fluid 12 über die Auslasseinrichtung 14; 114 zumindest teilweise aus dem Reservoir 12 ausgegeben und auf einen Werkstückträger aufgetragen wird. In einem optionalen Schritt wird das verkleinerte Volumen des Reservoirs 12 wieder vergrößert, vorzugsweise auf die Größe des Volumens des Reservoirs 12 vor dem Verkleinern S02 des Volumens des Reservoirs 12. Das Vergrößern S02, und das optionale Verkleinern, erfolgt vorzugsweise durch ein Verformen einer, in einer oder als eine Außenwand des Reservoirs 12 ausgebildeten, Membran 22.
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Weiter vorzugsweise umfasst das Verkleinern S02 und/oder das optionale Vergrößern des Volumens des Reservoirs 12 ein Bewegen eines Kolbens 24 zum Verformen der Membran 22. Vorzugsweise umfasst das Bewegen des Kolbens 24 ein Bestromen einer Spule 27 derart, dass der Kolben 24 durch, aufgrund des Bestromens der Spule 27 entstehende, elektromagnetische Kräfte, insbesondere durch elektromagnetische Wirbelströme hervorgerufene elektromagnetische Kräfte, von der Spule 27 abgestoßen wird.
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Das Einbringen S01 des Fluids F in das Reservoir 12 kann kontinuierlich oder regelmäßig und/oder nach Maßgabe einer Steuereinrichtung 30 erfolgen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung kann für alle schmelzbaren oder flüssigen Materialien geeignet oder anpassbar sein oder verwendet werden. Zum Zwecke des Erzeugens bzw. „Druckens”, insbesondere „3D-Druckens”, von Werkstücken eignen sich insbesondere Materialien, welche im Laufe der Zeit aushärten. Ein limitierender Faktor für die Materialauswahl kann eine dem entsprechenden Material innewohnende Oberflächenspannung sein. Bei einer zu kleinen Oberflächenspannung kann es der Fall sein, dass es nicht zu einer genügenden Tropfenbildung kommt. Zudem kann es bei einer besonders geringen Oberflächenspannung bei einer ungewollten Leckage aus der Vorrichtung kommen, falls das Reservoir 12 lediglich über die Oberflächenspannung des abzugebenden und aufzutragenden Fluids F gedichtet wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein passives Schließelement umfassen, um eine ungewollte Leckage zu verhindern und zur Tropfenbildung des abzugebenden Fluids F beizutragen.
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Denkbare Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Vorrichtung, des Systems oder des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich beispielsweise auch für Metallschmelzen, beispielsweise zum Drucken von dreidimensionalen Leiterbahnen oder in der Lebensmittelverarbeitung, zum Beispiel zum „Drucken” von Schokolade zu Dekorationszwecken. Bei einer Verwendung der Vorrichtung oder des System zum Erzeugen eines Werkstücks aus oder an einem Lebensmittel können vorteilhafterweise einige oder alle Elemente der Vorrichtung bzw. des Systems aus Edelstahl ausgebildet sein.
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Zum Einbringen S01 des Fluids F in das Reservoir 12 kann beispielsweise auch eine Förderschnecke verwendet werden, welche etwa zwischen der Heizeinrichtung 32 und dem Reservoir 12 in der Leitung 34 angeordnet ist. Alternativ kann die Heizeinrichtung auch an, in oder um die Förderschnecke herum angeordnet sein. Die Heizeinrichtung kann auch Teil des Reservoirs 12 sein, sodass das Fluid F in dem Reservoir 12 auf eine vorbestimmte Temperatur heizbar oder bei einer vorbestimmten Temperatur haltbar ist.
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Abhängig von einer dem auszugebenden Fluid F inhärenten Oberflächenspannung kann die Querschnittsfläche des Auslasses 15 derart klein gewählt werden, dass es zu keinem ungewollten Austritt des Fluids F aus dem Reservoir 12 kommt. Somit kann beispielsweise auf ein aktives Schließelement wie zum Beispiel eine Düsennadel verzichtet werden.
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Die Drossel 16; 216 kann auf unterschiedliche Weise ausgeführt werden. Sie kann beispielsweise konisch, zentrisch, gestuft etc. ausgeführt werden und den jeweiligen Anforderungen bzw. Betriebsbedingungen angepasst werden.
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Weitere Variationsmöglichkeiten beziehen sich auf die Form des Reservoirs 12 und die Form des Kolbens 24. Diese Formen können hinsichtlich einer Reproduzierbarkeit einer Tröpfchengröße, einer Tröpfchenfrequenz und eines Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen Vorrichtung optimiert werden.
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Die relative Bewegung der Auslasseinrichtung zu dem Werkstückträger kann durch ein alleiniges Bewegen des Werkstückträgers, durch ein alleiniges Bewegen der Auslasseinrichtung oder durch ein kombiniertes Bewegen sowohl der Auslasseinrichtung als auch des Werkstückträgers bewirkt werden. Beispielsweise kann die Auslasseinrichtung in zwei ersten Dimensionen bewegbar sein, während der Werkstückträger in einer dritten Dimension bewegbar ist, welche senkrecht auf den beiden ersten Dimensionen steht, oder andersherum.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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