DE102019007984A1 - 3D printing device with an advantageous sintering unit and process - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine 3D-Druckvorrichtung mit vorteilhaftem Wärmemanagement des Sinteraggregates.The invention relates to a 3D printing device with advantageous thermal management of the sintering unit.
Description
Die Erfindung betrifft eine 3D-Druckvorrichtung mit vorteilhaftem Sinteraggregat.The invention relates to a 3D printing device with an advantageous sintering unit.
In der europäischen Patentschrift
Dieses aus verfestigtem Partikelmaterial hergestellte Objekt ist nach seiner Fertigstellung in losem Partikelmaterial eingebettet und wird anschließend davon befreit. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Saugers. Übrig bleiben danach die gewünschten Objekte, die dann vom Restpulver, z.B. durch Abbürsten, weiter gesäubert werden.This object made of solidified particulate material is embedded in loose particulate material after its completion and is then freed from it. This is done, for example, by means of a suction device. What remains are the desired objects, which are then further cleaned of the residual powder, e.g. by brushing off.
In ähnlicher Weise arbeiten auch andere Pulver-gestützte Rapid-Prototyping-Prozesse, wie z.B. das selektive Lasersintern oder das Elektron-Beam-Sintern bei denen jeweils ebenso ein loses Partikelmaterial schichtweise ausgebracht und mit Hilfe einer gesteuerten physikalischen Strahlungsquelle selektiv verfestigt wird.Other powder-based rapid prototyping processes work in a similar way, such as selective laser sintering or electron beam sintering, in which a loose particle material is applied in layers and selectively solidified with the help of a controlled physical radiation source.
Im Folgenden werden alle diese Verfahren unter dem Begriff dreidimensionale Druckverfahren oder 3D-Druckverfahren zusammengefasst.In the following, all of these processes are summarized under the term three-dimensional printing process or 3D printing process.
Sinteraggregate mit Spektrumswandler nach dem Stand der Technik sind z.B. in
Die durch eine Wandlung des Spektrums unweigerlich entstehenden Verluste in der Strahlungsleistung führen zu einer Temperaturerhöhung der Wandlerfläche.The inevitably occurring losses in the radiation power due to the conversion of the spectrum lead to an increase in temperature of the transducer surface.
Die durch Absorption entstehende Temperaturerhöhung findet meist mittig in der Wandlerfläche statt. Grund hierfür ist, dass der Spektrumswandler seine Temperatur per Wärmeleitung nur über die Montagepunkte abgeben kann, mit denen er mit dem Gehäuse des Aggregats verbunden ist. Auch wenn ein sekundärer Spektrumswandler für die hindurchgehende Strahlung möglichst transparent ausgelegt wird und das Spektrum nicht maßgeblich wandelt, verbleibt ein gewisser Reststeil der Strahlung in diesem zurück, sodass auch diese Verluste zu einer Temperaturerhöhung führen. Durch die Temperaturerhöhung wird der Spektrumswandler wiederum zu einem Emitter der sogenannten Sekundärstrahlung.The temperature increase caused by absorption usually takes place in the middle of the transducer surface. The reason for this is that the spectrum converter can only transfer its temperature via heat conduction via the mounting points with which it is connected to the housing of the unit. Even if a secondary spectrum converter is designed to be as transparent as possible for the radiation passing through and does not significantly convert the spectrum, a certain residual part of the radiation remains in it, so that these losses also lead to an increase in temperature. As a result of the temperature increase, the spectrum converter in turn becomes an emitter of the so-called secondary radiation.
Die induzierte Sekundärstrahlung mischt sich mit der gewandelten Strahlung, was im Allgemeinen nicht gewünscht ist. Nach dem Stand der Technik wird statt dessen eine hochtransparente, mechanisch meist sehr fragile und kostspielige Spezialglasscheibe eingesetzt, um dies zu vermeiden, sofern eine Wandlung des Spektrums nicht benötigt wird. Zwar ist eine Kühlung mittels Gasstrom in Form von Pressluft bzw. mittels einer Kühlflüssigkeit in einer Ausführung eines Strahleraggregats in
Dies ist jedoch im Kontext des High Speed Sintering nachteilig, da feinste Kunststoffpartikel so in das Aggregat eindringen und dieses beschädigen können. Auch ein konstanter Überdruck im Innern des Aggregats kann nicht zur Anwendungen kommen, da der resultierende Luftstrom einer nicht geschlossenen Vorrichtung den Sinterprozess aufgrund von Temperaturschwankungen durch erzwungene Konvektion negativ beeinflussen würde.However, this is disadvantageous in the context of high speed sintering, since the finest plastic particles can penetrate the unit and damage it. A constant overpressure inside the unit cannot be used either, since the resulting air flow from a non-closed device would negatively affect the sintering process due to temperature fluctuations due to forced convection.
Eine Kühlung der Spektrumswandler mit einem flüssigen Medium würde hohe Ansprüche an Dichtigkeit und Fluidversorgung stellen und ist wirtschaftlich nicht wünschenswert. Zu bedenken ist hierbei, dass in einem Sinteraggregat wie es beim High Speed Sintering eingesetzt wird, erhebliche Energiemengen umgesetzt werden, die durchaus 10 - 20 kW übersteigen können. Dabei müsste dann sichergestellt sein, dass z.B. die Dichtmittel einer eventuellen Abwärme standhalten und zugleich ihre Funktion zuverlässig erfüllen. Des Weiteren wäre gerade bei größeren Ausführungen des Sinteraggregats das Gewicht eines flüssigen Mediums nicht unerheblich, was weitere Kosten aufgrund der Notwendigkeit einer stabileren mechanischen Auslegung nach sich ziehen würde. Bei einem flüssigen Kühlmedium muss des Weiteren sichergestellt werden, dass dieses die Siedetemperatur nicht überschreitet.Cooling the spectrum converter with a liquid medium would place high demands on tightness and fluid supply and is not economically desirable. It should be noted here that in a sintering unit like the one used in high-speed sintering, considerable amounts of energy are converted that can easily exceed 10-20 kW. It would then have to be ensured that, for example, the sealants can withstand any waste heat and at the same time reliably fulfill their function. Furthermore, especially with larger versions of the sintering unit, the weight of a liquid medium would not be insignificant, which would entail additional costs due to the need for a more stable mechanical design. In the case of a liquid cooling medium, it must also be ensured that it does not exceed the boiling point.
Es stellt somit ein Problem dar, ein Sinteraggregat in einem High-Speed-Sintering-Verfahren bereitzustellen, das gute Kühleigenschaften hat und wartungsfrei betrieben werden kann. Es stellt weiterhin ein Problem dar, eine kontrollierbare Kühlung in einem Sinteraggregat bereitzustellen, die ein differenziertes Kühl- und Temperaturmanagement in derartigen Verfahren ermöglicht.It is therefore a problem to provide a sintering unit in a high-speed sintering process that has good cooling properties and can be operated maintenance-free. It puts Furthermore, a problem is to provide a controllable cooling in a sintering unit, which enables a differentiated cooling and temperature management in such processes.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die zum Temperaturmanagement eines Sinteraggregats an sich oder/und zum Temperaturmanagement einer High-Speed-Sintering-Druckvorrichtung beitragen kann, oder zumindest die Nachteile des Standes der Technik vermindert oder ganz vermeidet.It is therefore an object of the present invention to provide a device that can contribute to the temperature management of a sintering unit per se and / and to the temperature management of a high-speed sintering printing device, or at least reduce or completely avoid the disadvantages of the prior art .
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die dazu beitragen kann, die erzeugte Wärme abzutransportieren, um eine Kühlung des Sinteraggregates herbeizuführen ohne dass die Wärmeabfuhr mit dem Partikelmaterial oder sonstigen Komponenten interferiert oder zumindest die Nachteile des Standes der Technik vermindert oder ganz vermeidet.It is a further object of the present invention to provide a device that can contribute to the removal of the heat generated in order to bring about a cooling of the sintering unit without the heat dissipation interfering with the particulate material or other components or at least the disadvantages of the prior art reduced or avoided entirely.
Kurze Zusammenfassung der OffenbarungBrief summary of the disclosure
In einem Aspekt betrifft die Offenbarung ein Sinteraggregat, geeignet für eine 3D-Druckvorrichtung, wobei das Sinteraggregat gekennzeichnet ist durch einen geschlossenen Luftkühlkreislauf und einen flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf.In one aspect, the disclosure relates to a sintering unit suitable for a 3D printing device, the sintering unit being characterized by a closed air cooling circuit and a liquid-based cooling circuit.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine 3D-Druckvorrichtung, die ein Sinteraggregat wie hierin offenbart umfasst, wobei das weitere Kühlmittel, vorzugsweise ein externes Kühlmittel, außerhalb der 3D-Druckvorrichtung angeordnet ist.In a further aspect, the disclosure relates to a 3D printing device that comprises a sintering unit as disclosed herein, the further coolant, preferably an external coolant, being arranged outside the 3D printing device.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils mittels Partikelmaterialauftrag und selektiver Verfestigung, wobei ein Sinteraggregat nach der Offenbarung in dem Verfahren verwendet wird, wobei das flüssigkeitsbasierte Kühlmittel den geschlossenen Luftkühlkreislauf im Wesentlichen kühlt, der wiederrum den oder die Spektrumswandler im Wesentlichen kühlt.In a further aspect, the disclosure relates to a method for producing a molded part by means of particulate material application and selective solidification, a sintering unit according to the disclosure being used in the method, wherein the liquid-based coolant essentially cools the closed air cooling circuit, which in turn essentially cools the spectrum converter (s) cools.
FigurenlisteFigure list
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Figur S1 zeigt ein Sinteraggregat mit Spektrumswandler nach dem Stand der Technik, wie z.B. in
beschrieben; Ansicht in der XZ-Ebene links und von unten betrachtet in der XY-Ebene rechts.Figure S1 shows a sintering unit with spectrum converter according to the prior art, such as inDE102017006860 described; View in the XZ plane on the left and viewed from below in the XY plane on the right.DE102017006860 - Figur S2 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung nach der Offenbarung und zeigt den Schnitt durch ein Sinteraggregat mit geschlossenem sekundären Luftkreislauf.Figure S2 shows an exemplary device according to the disclosure and shows the section through a sintering unit with a closed secondary air circuit.
- Figur S3 zeigt ein beispielhaftes Sinteraggregat nach der Offenbarung und ist eine schematische Darstellung in der Seitenansicht (YZ-Ebene) mit eingezeichnetem Luftstrom.FIG. S3 shows an exemplary sintering unit according to the disclosure and is a schematic illustration in the side view (YZ plane) with the air flow drawn in.
- Figur S4 zeigt in einer Frontalansicht im Schnitt in Fig. S4 frontal in XZ-Ebene ein beispielhaftes Sinteraggregat nach der Offenbarung mit eingezeichneten Ventilatoren.FIG. S4 shows, in a frontal view in section in FIG. S4, frontally in the XZ plane, an exemplary sintering unit according to the disclosure with fans drawn in.
Ausführliche Beschreibung der OffenbarungDetailed description of the disclosure
Die der Anmeldung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Sinteraggregat geeignet für eine 3D-Druckvorrichtung, wobei das Sinteraggregat gekennzeichnet ist durch einen geschlossenen Luftkühlkreislauf und einen flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf sowie ein Verfahren, das ein derartiges Sinteraggregat verwendet.The object on which the application is based is achieved by a sintering unit suitable for a 3D printing device, the sintering unit being characterized by a closed air cooling circuit and a liquid-based cooling circuit as well as a method that uses such a sintering unit.
Im Folgenden werden einige Begriffe näher definiert. Andernfalls sind für die verwendeten Begriffe die dem Fachmann bekannten Bedeutungen zu verstehen.Some terms are defined in more detail below. Otherwise, the meanings known to the person skilled in the art are to be understood for the terms used.
Im Sinne der Offenbarung sind „Schichtbauverfahren“ bzw. „3D-Druckverfahren“ oder „3D-Verfahren“ oder „3D-Druck“ alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die den Aufbau von Bauteilen in dreidimensionalen Formen ermöglichen und mit den hier im Weiteren beschriebenen Verfahrenskomponenten und Vorrichtungen kompatibel sind.For the purposes of the disclosure, “layer construction methods” or “3D printing methods” or “3D methods” or “3D printing” are all methods known from the prior art that enable components to be built in three-dimensional shapes and with the here im Further described process components and devices are compatible.
Unter „Binder-Jetting“ im Sinne der Offenbarung ist zu verstehen, dass schichtweise Pulver auf eine Bauplattform aufgebracht wird, jeweils die Querschnitte des Bauteils auf dieser Pulverschicht mit einer oder mehreren Flüssigkeiten bedruckt werden, die Lage der Bauplattform um eine Schichtstärke zur letzten Position geändert wird und diese Schritte solange wiederholt werden, bis das Bauteil fertig ist. Unter Binder-Jetting sind hier auch Schichtbauverfahren zu verstehen, die eine weitere Verfahrens-Komponente wie z.B. eine schichtweise Belichtung z.B. mit IR- oder UV-Strahlung benötigen.“Binder jetting” in the sense of the disclosure means that powder is applied in layers to a building platform, the cross-sections of the component on this powder layer are printed with one or more liquids, the position of the building platform is changed by one layer thickness from the last position and these steps are repeated until the component is finished. Binder jetting also includes layering processes that require a further process component such as layer-by-layer exposure, e.g. with IR or UV radiation.
Im „High-Speed-Sintering-Verfahren“ im Sinne der Offenbarung wird eine dünne Schicht aus Kunststoffgranulat, wie beispielweise PA12 oder TPU, auf eine Bauplattform (Baufeld), die vorzugsweise beheizt ist, aufgetragen. Folgend fährt ein Tintenstrahldruckkopf großflächig über die Plattform und benetzt die Bereiche des Baufelds mit Infrarotlicht absorbierender Tinte (IR-Absorber), an denen der Prototyp entstehen soll. Anschließend wird die Bauplattform mit Infrarot-Licht bestrahlt. Die benetzten Bereiche absorbieren die Hitze wodurch die darunterliegende Pulverschicht versintert. Das unbedruckte Pulver bleibt jedoch lose. Nach dem Sintern senkt sich die Bauplattform um eine Schichtstärke ab. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis der Aufbau eines Bauteiles abgeschlossen ist. Anschließend werden die gesinterten Teile im Bauraum kontrolliert abgekühlt, bevor sie entnommen und entpackt werden können. Es kann hierbei auch von Vorteil sein, wenn neben einer Sinterlampe auch eine Overheadlampe oder ein Strahleraggregat verwendet wird, die unterschiedliche Wellenlängenspektren verwenden, wobei sich das Wellenlängenspektrum im Wesentlichen nicht überschneidet. In einer Variation kann zusätzlich zu dem IR-Absorber ein sog. Detailing-Agent eingedruckt werden, die zum Kühlen der damit bedruckten Bereiche dient. Eine Variante des High-Speed-Sintering-Verfahren wird auch als Fusion-Jet-Verfahren bezeichnet, wobei der Druckkopf eine wärmeleitende Flüssigkeit (oft bezeichnet als „Fusing Agent“, was dem Absorber entspricht) auf eine Schicht des Partikelmaterials aufgespritzt wird. Sofort nach dem Druck wird eine Hitzequelle (Infrarotlicht) eingesetzt. Die Bereiche, auf welche der „Fusing Agent“ aufgetragen wurde, werden stärker erhitzt als das Pulver ohne diese Flüssigkeit. Somit werden die erforderlichen Bereiche zusammengeschmolzen. Ein weiterer Zusatz wird dann verwendet, der auch als sogenannte „Detailing Agent“ bezeichnet wird und zum Isolieren genutzt wird. Dieser selektive Eindruck erfolgt um die Bereiche herum, auf welche das „Fusing Agent“ oder Absorber‟ aufgedruckt wurde. Dieser Zusatz soll eine scharfe Kantenbildung fördern. Dieses Ziel soll dadurch erreicht werden, dass die Temperaturunterschiede zwischen bedrucktem und ungenutztem Pulver signifikanter werden. Ein Verfahren mit diesen zwei Druckflüssigkeiten kann auch als Multi-Jet-Fusion-Verfahren bezeichnet werden.In the “high-speed sintering process” in the sense of the disclosure, a thin layer of plastic granulate, such as PA12 or TPU, is applied to a construction platform (construction field), which is preferably heated. An inkjet print head then moves over a large area over the platform and wets the areas of the construction field with ink that absorbs infrared light (IR absorber) on which the prototype is to be created. The construction platform is then irradiated with infrared light. The wetted areas absorb the heat, causing the powder layer underneath to sinter. However, the unprinted powder remains loose. After sintering, the building platform lowers by one layer thickness. This process is repeated until the construction of a component is complete. Then be the sintered parts are cooled in the installation space in a controlled manner before they can be removed and unpacked. It can also be advantageous here if, in addition to a sintered lamp, an overhead lamp or a radiator unit is used that use different wavelength spectra, the wavelength spectrum essentially not overlapping. In a variation, a so-called detailing agent can be printed in addition to the IR absorber, which is used to cool the areas printed with it. A variant of the high-speed sintering process is also known as the fusion jet process, in which the printhead a thermally conductive liquid (often referred to as a “fusing agent”, which corresponds to the absorber) is sprayed onto a layer of the particulate material. A heat source (infrared light) is used immediately after printing. The areas to which the “fusing agent” was applied are heated more than the powder without this liquid. Thus, the required areas are melted together. Another addition is then used, which is also known as the so-called "detailing agent" and is used for isolation. This selective impression takes place around the areas on which the "fusing agent" or absorber "was printed. This addition is intended to promote sharp edge formation. This goal is to be achieved by making the temperature differences between printed and unused powder more significant. A process with these two pressure fluids can also be referred to as a multi-jet fusion process.
„3D-Formteil“, „Formkörper“ oder „Bauteil“ im Sinne der Offenbarung sind alle mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder/und der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte dreidimensionale Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.“3D molded part”, “molded body” or “component” in the sense of the disclosure are all three-dimensional objects produced by means of the method according to the invention and / or the device according to the invention, which have dimensional stability.
„Bauraum“ ist der geometrische Ort in dem die Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst oder durch den die Schüttung bei kontinuierlichen Prinzipien durchläuft. Im Allgemeinen wird der Bauraum durch einen Boden, die Bauplattform, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt. Bei kontinuierlichen Prinzipien existieren meist ein Förderband und begrenzende Seitenwände. Der Bauraum kann auch durch eine sogenannte Jobbox ausgestaltet sein, die eine in die Vorrichtung ein- und ausfahrbare Einheit darstellt und eine Batch-Herstellung erlaubt, wobei eine Jobbox nach Prozessabschluss ausgefahren wird und sofort eine neue Jobbox in die Vorrichtung eingefahren werden kann, sodass das Herstellungsvolumen und somit die Vorrichtungsleistung erhöht wird."Construction space" is the geometric location in which the particle material bed grows during the construction process through repeated coating with particle material or through which the bed runs in continuous principles. In general, the construction space is limited by a floor, the construction platform, walls and an open top surface, the construction level. In the case of continuous principles, there is usually a conveyor belt and limiting side walls. The installation space can also be designed by a so-called job box, which represents a unit that can be retracted and extended into the device and allows batch production, whereby a job box is extended after the process is completed and a new job box can be moved into the device immediately, so that the Manufacturing volume and thus the device performance is increased.
Als „Baumaterial“ oder „Partikelmaterial“ oder „Pulver“ oder „Pulverschüttung“ im Sinne der Offenbarung können alle für den 3D-Druck bekannten fließfähigen Materialien verwendet werden, insbesondere in Pulverform, als Schlicker oder als Flüssigkeit. Dies können beispielsweise Sande, Keramikpulver, Glaspulver, und andere Pulver aus anorganischen oder organischen Materialien wie Metallpulver, Kunststoffe, Holzpartikel, Faserwerkstoffe, Cellulosen oder/und Laktosepulver sowie andere Arten von organischen, pulverförmigen Materialien sein. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken, frei fließendes Pulver, aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver kann verwendet werden. Diese Kohäsivität kann sich auch durch Beimengung eines Bindermaterials oder eines Hilfsmaterials wie z.B. einer Flüssigkeit ergeben. Die Beimengung einer Flüssigkeit kann dazu führen, dass das Partikelmaterial in Form eines Schlickers frei fließfähig ist. Generell können Partikelmaterial im Sinne der Offenbarung auch als Fluide bezeichnet werden.As “building material” or “particulate material” or “powder” or “bulk powder” in the sense of the disclosure, all flowable materials known for 3D printing can be used, in particular in powder form, as a slip or as a liquid. These can be, for example, sand, ceramic powder, glass powder, and other powders made of inorganic or organic materials such as metal powder, plastics, wood particles, fiber materials, celluloses and / or lactose powder and other types of organic, powdery materials. The particulate material is preferably a dry, free-flowing powder, but a cohesive, cut-resistant powder can also be used. This cohesiveness can also result from the addition of a binder material or an auxiliary material such as a liquid. The addition of a liquid can result in the particulate material being able to flow freely in the form of a slip. In general, particulate material can also be referred to as fluids in the context of the disclosure.
In der vorliegenden Anmeldung werden Partikelmaterial und Pulver synonym verwendet.In the present application, particulate material and powder are used synonymously.
Der „Partikelmaterialauftrag“ ist der Vorgang bei dem eine definierte Schicht aus Pulver erzeugt wird. Dies kann entweder auf der Bauplattform (Baufeld) oder auf einer geneigten Ebene relativ zu einem Förderband bei kontinuierlichen Prinzipen erfolgen. Der Partikelmaterialauftrag wird im Weiteren auch „Beschichtung“ oder „Recoaten“ genannt.The "particle material application" is the process in which a defined layer of powder is created. This can be done either on the construction platform (construction field) or on an inclined plane relative to a conveyor belt with continuous principles. The application of particle material is also referred to below as “coating” or “recoating”.
„Selektiver Flüssigkeitsauftrag“ oder „selektiver Binderauftrag“ kann im Sinne der Offenbarung nach jedem Partikelmaterialauftrag erfolgen oder je nach den Erfordernissen des Formkörpers und zur Optimierung der Formkörperherstellung auch unregelmäßig, beispielsweise mehrfach bezogen auf einen Partikelmaterialauftrag, erfolgen. Dabei wird ein Schnittbild durch den gewünschten Körper aufgedruckt.“Selective application of liquid” or “selective application of binder” in the sense of the disclosure can take place after each application of particulate material or, depending on the requirements of the molded body and to optimize the production of the molded body, it can also be carried out irregularly, for example several times based on a particle material application. A sectional image is printed through the desired body.
Als „Vorrichtung“ zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der Offenbarung kann jede bekannte 3D-Druckvorrichtung verwendet werden, die die erforderlichen Bauteile beinhaltet. Übliche Komponenten beinhalten Beschichter, Baufeld, Mittel zum Verfahren des Baufeldes oder anderer Bauteile bei kontinuierlichen Verfahren, Job-Box, Dosiervorrichtungen und Wärme- und Bestrahlungsmittel und andere dem Fachmann bekannte Bauteile, die deshalb hier nicht näher ausgeführt werden.Any known 3D printing device that contains the required components can be used as the “device” for performing a method according to the disclosure. Usual components include coater, construction field, means for moving the construction field or other components in continuous processes, job boxes, dosing devices and heat and irradiation means and other components known to the person skilled in the art, which are therefore not detailed here.
Das Baumaterial gemäß der Offenbarung wird immer in einer „definierten Schicht“ oder „Schichtstärke“ aufgebracht, die je nach Baumaterial und Verfahrensbedingungen individuell eingestellt wird. Sie beträgt beispielsweise 0,05 bis 5 mm, vorzugsweise 0,06 bis 2 mm oder 0,06 bis 0,15 mm, besonders bevorzugt 0,06 bis 0,09 mm.The building material according to the disclosure is always applied in a “defined layer” or “layer thickness”, which is set individually depending on the building material and process conditions. It is, for example, 0.05 to 5 mm, preferably 0.06 to 2 mm or 0.06 to 0.15 mm, particularly preferably 0.06 to 0.09 mm.
Eine „Beschichterklinge“ im Sinne der Offenbarung ist ein im Wesentlichen flaches metallisches oder aus einem anderen geeigneten Material gefertigtes Bauteil, das sich an der Austrittsöffnung des Beschichters befindet und über das das Fluid auf die Bauplattform abgegeben wird und glatt gestrichen wird. Ein Beschichter kann eine oder zwei oder mehrere Beschichterklingen aufweisen. Eine Beschichterklinge kann eine Schwingklinge sein, die Schwingungen im Sinne einer Drehbewegung ausführt, wenn sie angeregt wird. Weiterhin kann diese Schwingung ein- und ausgestellt werden durch ein Mittel zum Erzeugen von Schwingungen. Je nach der Anordnung der Austrittsöffnung ist die Beschichterklinge im Sinne der Offenbarung „im Wesentlichen waagerecht“ oder „im Wesentlichen senkrecht“ angeordnet.A “coater blade” in the sense of the disclosure is an essentially flat metallic component or component made from another suitable material, which is located at the outlet opening of the coater and via which the fluid is released onto the construction platform and is smoothed. A coater can have one or two or more coater blades. A coating blade can be an oscillating blade that oscillates in the sense of a rotary movement when it is excited. Furthermore, this oscillation can be switched on and off by a means for generating oscillations. Depending on the arrangement of the outlet opening, the coating blade is arranged “essentially horizontally” or “essentially vertically” in the sense of the disclosure.
Der „Vorlagebehälter“ oder „Vorwärmbehälter“ ist im Sinne der Offenbarung ein Behälter, der Partikelmaterial enthält und eine Menge davon nach jeder Schicht oder nach einer beliebigen Anzahl von Schichten an den Beschichter abgibt. Der Vorlagebehälter kann sich dazu vorteilhafterweise über die gesamte Breite eines Beschichters erstrecken. Der Vorlagebehälter verfügt am unteren Ende über einen Verschluss, der das Partikelmaterial am ungewollten Austreten hindert. Der Verschluss kann z.B. als Zellradschleuse, als einfacher Schieber oder andere geeignete Mechanismen nach dem Stand der Technik ausgebildet sein. Ein Vorlagebehälter im Sinne der Offenbarung kann Partikelmaterial für mehr als eine Schicht enthalten. Vorzugsweise enthält der Vorlagebehälter sogar Partikelmaterial für die Ausbringung von 20 oder mehr Schichten. Das Partikelmaterial kommt entweder über eine Förderstrecke aus einem größeren Vorrat in Form eines Silos oder eines Big-Bags oder wird händisch in den Behälter gefüllt. Die Füllung erfolgt vorzugsweise durch eine Öffnung am oberen Rand. Dadurch kann eine Förderung des Partikelmaterials im Vorlagebehälter durch die Schwerkraft erfolgen und es sind damit keine weiteren Fördereinrichtungen im Behälter notwendig. Eventuell verfügt der Vorlagebehälter auch über Rüttelmechanismen, die eine Brückenbildung des Partikelmaterials im Behälter verhindern. Der Vorlagebehälter weist einen Bereich auf, der das Partikelmaterial aufnimmt, der sich üblicherweise zwischen den Seitenwänden und dem Verschluss befindet. Nach der Offenbarung ist es vorteilhaft, wenn in dem Bereich, der das Partikelmaterial aufnimmt, ein Heizmittel angeordnet ist. Das Heizmittel ist so angeordnet, dass das Partikelmaterial das Heizmittel umfließt und somit die Aufheizung des Partikelmaterials verbessert wird. Der Vorlagebehälter kann stationär angeordnet sein, wobei dieser dann z.B. über der Halteposition des Beschichters angeordnet sein kann oder über dem Baufeld. Die Nachfüllung kann dann je nach Bedarf oder/und Steuerung der Volumenmenge mit vortemperiertem Partikelmaterial durch ein Verfahren des Beschichters an bzw. unterhalb des Vorlagebehälters erfolgen. Der Vorlagebehälter kann aber auch mit dem Beschichter lösbar oder nicht-lösbar verbunden sein. Es kann auch vorteilhaft sein aus Konstruktions- oder/und Kostengründen, dass der Beschichter nicht beheizbar ist. Der Beschichter kann dann über eine passive Isolierung verfügen. Der Beschichter kann aber auch überhaupt nicht beheizt und auch nicht mit einer Isolierung versehen sein, wenn das vorgeheizte Partikelmaterial in einem Volumen an den Beschichter abgegeben wird, das im Wesentlichen einem Schichtvolumen entspricht oder dem 1,2- bis 2-Fachen davon und es so praktisch ohne Verweildauer im Beschichter und damit im Wesentlichen ohne Wärmeverlust auf das Baufeld aufgetragen werden kann.The “storage container” or “preheating container” in the sense of the disclosure is a container that contains particulate material and releases a quantity of it to the coater after each layer or after any number of layers. For this purpose, the storage container can advantageously extend over the entire width of a coater. The storage container has a closure at the lower end that prevents the particulate material from accidentally escaping. The closure can, for example, be designed as a rotary valve, a simple slide or other suitable mechanisms according to the state of the art. A storage container within the meaning of the disclosure can contain particulate material for more than one layer. The storage container preferably even contains particulate material for the application of 20 or more layers. The particulate material either comes from a larger supply in the form of a silo or a big bag via a conveyor or is filled into the container by hand. The filling is preferably carried out through an opening on the upper edge. As a result, the particulate material in the storage container can be conveyed by gravity and no further conveying devices are necessary in the container. The storage container may also have vibrating mechanisms that prevent the particulate material in the container from bridging. The storage container has an area which receives the particulate material, which is usually located between the side walls and the closure. According to the disclosure, it is advantageous if a heating means is arranged in the area that receives the particulate material. The heating means is arranged in such a way that the particulate material flows around the heating means and thus the heating of the particulate material is improved. The storage container can be arranged in a stationary manner, whereby it can then be arranged, for example, above the holding position of the coater or above the construction field. The refilling can then take place, depending on requirements and / or control of the volume, with pre-tempered particulate material by a method of the coater on or below the storage container. The storage container can, however, also be connected to the coater in a detachable or non-detachable manner. It can also be advantageous, for reasons of construction and / or cost, that the coater cannot be heated. The coater can then have passive insulation. However, the coater can also not be heated at all and also not provided with insulation if the preheated particulate material is delivered to the coater in a volume that essentially corresponds to a layer volume or 1.2 to 2 times that, and so it is can be applied to the construction field with practically no dwell time in the coater and thus essentially without heat loss.
„Strahleraggregat“ im Sinne der Offenbarung ist eine Anordnung von Strahlereinheiten.“Emitter unit” in the sense of the disclosure is an arrangement of emitter units.
„Strahlereinheit‟ im Sinne der Offenbarung ist eine Einheit, die elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Spektrums emittiert, vorzugsweise im infraroten oder/und sichtbaren Bereich.“Radiator unit” in the sense of the disclosure is a unit that emits electromagnetic radiation of a certain spectrum, preferably in the infrared and / or visible range.
„Kühlmittel‟ im Sinne der Offenbarung ist ein Mittel, das eine Strahlereinheit kühlen kann wie z.B. Wasser oder eine andere Flüssigkeit oder ein Gebläsestrom oder ein Wärmerohr."Coolant" in the sense of the disclosure is a means that can cool a radiator unit such as water or another liquid or a blower flow or a heat pipe.
„3D-Drucker“ oder „Drucker“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet das Gerät in dem ein 3D-Druckverfahren stattfinden kann. Ein 3D-Drucker im Sinne der Offenbarung weist ein Auftragsmittel für Baumaterial, z.B. ein Fluid wie ein Partikelmaterial, und eine Verfestigungseinheit, z.B. einen Druckkopf oder ein Energieeintragsmittel wie einen Laser oder eine Wärmelampe, auf. Weitere dem Fachmann bekannte Maschinenkomponenten und im 3D-Druck bekannte Komponenten werden je nach den speziellen Anforderungen im Einzelfall mit den oben erwähnten Maschinenkomponenten kombiniert.“3D printer” or “printer” in the sense of the disclosure refers to the device in which a 3D printing process can take place. A 3D printer within the meaning of the disclosure has an application means for building material, e.g. a fluid such as a particulate material, and a solidification unit, e.g. a print head or an energy input means such as a laser or a heat lamp. Further machine components known to the person skilled in the art and components known in 3D printing are combined with the above-mentioned machine components depending on the special requirements in the individual case.
„Baufeld‟ ist die Ebene oder in erweitertem Sinn der geometrische Ort, auf dem oder in dem eine Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst. Häufig wird das Baufeld durch einen Boden, die „Bauplattform“, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt.“Construction field” is the plane or, in a broader sense, the geometric location on which or in which a particulate matter grows during the construction process through repeated coating with particulate material. The building site is often limited by a floor, the “building platform”, walls and an open top surface, the building level.
Der Prozess „Drucken“ oder „3D-Drucken“ im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Zusammenfassung der Vorgänge Materialauftrag, selektives Verfestigen oder auch Bedrucken und Arbeitshöhe verstellen und findet in einem offenen oder geschlossenen Prozessraum statt.The “printing” or “3D printing” process in the sense of the disclosure refers to the summary of the processes of material application, selective solidification or also printing and adjusting the working height and takes place in an open or closed process space.
Unter einer „Aufnahmeebene“ im Sinne der Offenbarung ist die Ebene zu verstehen, auf die Baumaterial aufgetragen wird. Offenbarungsgemäß ist die Aufnahmeebene immer in einer Raumrichtung durch eine lineare Bewegung frei zugänglich.A “recording level” in the sense of the disclosure is to be understood as the level on which Building material is applied. According to the disclosure, the receiving plane is always freely accessible in one spatial direction by means of a linear movement.
„Baufeldwerkzeug“ oder „Funktionale Einheit“ im Sinne der Offenbarung sind alle Mittel oder Vorrichtungsteile, die für den Fluidauftrag, z.B. Partikelmaterial, und die selektive Verfestigung bei der Herstellung von Formteilen eingesetzt werden. So sind alle Materialauftragsmittel und Schichtbehandlungsmittel auch Baufeldwerkzeuge oder funktionale Einheiten."Construction field tool" or "functional unit" in the sense of the disclosure are all means or device parts that are used for the application of fluid, e.g. particulate material, and the selective solidification in the production of molded parts. All material application means and layer treatment means are also construction site tools or functional units.
„Ausstreichen“ oder „Aufbringen“ im Sinne der Offenbarung bedeutet jegliche Art und Weise, mit der das Partikelmaterial verteilt wird. Beispielsweise kann an der Startposition einer Beschichtungsfahrt eine größere Pulvermenge vorgelegt werden und durch eine Klinge oder eine rotierende Walze in das Schichtvolumen verteilt oder ausgestrichen werden.“Spreading” or “applying” within the meaning of the disclosure means any manner in which the particulate material is distributed. For example, at the starting position of a coating run, a larger amount of powder can be presented and distributed or spread into the layer volume by a blade or a rotating roller.
„Beschichter“ oder „Recoater“ oder „Materialauftragsmittel“ im Sinne der Offenbarung ist die Einheit, mittels derer ein Fluid auf das Baufeld aufgebracht wird. Dieser kann aus einem Fluidvorratsbehälter und einer Fluidauftragseinheit bestehen, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung die Fluidauftragseinheit einen Fluidauslass und eine „Rakeleinrichtung“ umfasst. Diese Rakeleinrichtung könnte eine Beschichterklinge sein. Es könnte aber auch jede andere erdenkliche geeignete Rakeleinrichtung verwendet werden. Denkbar sind beispielsweise auch rotierende Walzen oder eine Düse. Die Materialzufuhr kann über Vorratsbehälter frei fließend oder Extruderschnecken, Druckbeaufschlagung oder andere Materialfördereinrichtungen erfolgen.“Coater” or “recoater” or “material application means” in the sense of the disclosure is the unit by means of which a fluid is applied to the construction field. This can consist of a fluid storage container and a fluid application unit, wherein, according to the present invention, the fluid application unit comprises a fluid outlet and a “doctor blade device”. This doctor blade device could be a coater blade. However, any other conceivable suitable doctor blade device could also be used. For example, rotating rollers or a nozzle are also conceivable. The material can be fed in freely via storage containers or extruder screws, pressurization or other material conveying devices.
Der „Druckkopf“ oder Mittel zum selektiven Verfestigen im Sinne der Offenbarung setzt sich üblicherweise aus verschiedenen Komponenten zusammen. Unter anderem können dies Druckmodule sein. Die Druckmodule verfügen über eine Vielzahl an Düsen, aus denen der „Binder“ in Tröpfchenform auf das Baufeld gesteuert ausgestoßen wird. Die Druckmodule sind relativ zum Druckkopf ausgerichtet. Der Druckkopf ist relativ zur Maschine ausgerichtet. Damit kann die Lage einer Düse dem Maschinenkoordinatensystem zugeordnet werden. Die Ebene in der sich die Düsen befinden wird üblicherweise als Düsenplatte bezeichnet. Ein weiteres Mittel zum selektiven Verfestigen kann auch ein oder mehrere Laser oder andere Strahlungsquellen oder eine Wärmelampe darstellen. Dabei kommen auch Arrays solcher Strahlungsquellen, wie z.B. Laserdiodenarrays in Betracht. Es ist im Sinne der Offenbarung zulässig, dass die Einbringung der Selektivität von der Verfestigungsreaktion getrennt erfolgt. So kann über einen Druckkopf oder eine oder mehrere Laser eine selektive Behandlung der Schicht erfolgen und durch andere Schichtbehandlungsmittel, die Verfestigung gestartet werden. In einer Ausführungsform wird das Partikelmaterial mit einem IR-Absorber bedruckt und anschließend mit einer Infrarotquelle verfestigt.The “print head” or means for selective solidification within the meaning of the disclosure is usually composed of various components. Among other things, these can be print modules. The pressure modules have a large number of nozzles from which the “binder” is ejected in a controlled manner onto the construction site in the form of droplets. The print modules are aligned relative to the print head. The printhead is oriented relative to the machine. This means that the position of a nozzle can be assigned to the machine coordinate system. The plane in which the nozzles are located is usually referred to as the nozzle plate. Another means for selective solidification can also be one or more lasers or other radiation sources or a heat lamp. Arrays of such radiation sources, such as laser diode arrays, can also be considered. For the purposes of the disclosure, it is permissible for the selectivity to be introduced separately from the solidification reaction. A print head or one or more lasers can be used for selective treatment of the layer and solidification can be started with other layer treatment agents. In one embodiment, the particulate material is printed with an IR absorber and then solidified with an infrared source.
„Schichtbehandlungsmittel“ im Sinne der Offenbarung sind alle Mittel, die geeignet sind, um einen bestimmten Effekt in der Schicht zu erzielen. Dies können die vorgenannten Einheiten wie Druckkopf oder Laser aber auch Wärmequellen in Form von IR-Strahlern oder andere Strahlungsquellen wie z.B. UV-Strahler sein. Denkbar sind auch Mittel zur De- oder Ionisierung der Schicht. Allen Schichtbehandlungsmitteln gemein ist, dass ihre Wirkungszone auf die Schicht linienförmig verteilt ist und dass sie wie die anderen Schichteinheiten wie Druckkopf oder Beschichter über das Baufeld geführt werden müssen, um die gesamte Schicht zu erreichen.“Layer treatment agents” in the sense of the disclosure are all agents that are suitable for achieving a specific effect in the layer. These can be the aforementioned units such as print heads or lasers, but also heat sources in the form of IR emitters or other radiation sources such as UV emitters. Means for de- or ionization of the layer are also conceivable. What all layer treatment agents have in common is that their zone of action is linearly distributed over the layer and that, like the other layer units such as the print head or coater, they have to be guided over the construction field in order to reach the entire layer.
Das „Koppeln“ von Kühlkreisläufen oder von einem Kühlkreislauf mit einem Kühlteil im Sinne der Offenbarung beschreibt die Verbindung mindestens zweier funktionell unterschiedlicher Teile, die eine Kopplungsstelle oder Anknüpfungsstelle aufweisen und bei der darüber ein Wärmeaustausch stattfinden kann. Z.B. wird nach der Offenbarung ein geschlossener Luftkühlkreislauf mit einem flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf gekoppelt und somit von dem Luftkühlkreislauf, der Wärme von z.B. einem Strahlungswandler, aufnehmen kann, diese Wärme an den flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf abgegeben und dann direkt oder evtl. über ein weiteres Kühlmittel zu der Umgebung transportiert, wodurch bei Einsatz eines Regelkreises die Temperatur an z.B. dem Strahlungswandler auf eine Zieltemperatur eingestellt oder gehalten werden kann.The “coupling” of cooling circuits or of a cooling circuit with a cooling part within the meaning of the disclosure describes the connection of at least two functionally different parts that have a coupling point or connection point and in which heat can be exchanged via it. For example, according to the disclosure, a closed air cooling circuit is coupled with a liquid-based cooling circuit and can thus absorb heat from a radiation converter, for example, from the air cooling circuit, this heat is transferred to the liquid-based cooling circuit and then transported to the environment directly or possibly via another coolant , whereby when using a control loop, the temperature at the radiation converter, for example, can be set or maintained at a target temperature.
Ein „geschlossener“ Luftkühlkreislauf in Sinne der Offenbarung bedeutet, dass die Luft in diesem Kreislauf im Wesentlichen in diesem Kreislauf zirkuliert wird und keine Zuluft von außen zugeführt wird. In einer besonderen Ausführungsform ist dieser Kreislauf so abgedichtet, dass keinerlei Verschmutzungen wie z.B. Partikel des Baumaterials in diesen Kreislauf eindringen können und so keine Wartung dieses Kreislaufes nötig ist.A “closed” air cooling circuit in the sense of the disclosure means that the air in this circuit is essentially circulated in this circuit and no supply air is supplied from outside. In a special embodiment, this circuit is sealed in such a way that no contamination, such as particles of the building material, can penetrate into this circuit and so no maintenance of this circuit is necessary.
Ein „Luftkühlkreislauf“ im Sinne der Offenbarung ist eine Luftzirkulation in einem Röhrensystem des Sinteraggregates, wobei die Luft oder das Gas z.B. mittels weiterer Mittel wie Ventilatoren umgewälzt wird.An "air cooling circuit" in the sense of the disclosure is air circulation in a pipe system of the sintering unit, the air or the gas being circulated e.g. by means of other means such as fans.
Ein „flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf“ im Sinne der Offenbarung ist ein geschlossener Kreislauf, dessen Kühlmittel eine Flüssigkeit ist, wie z.B. Wasser, Öl oder andere bekannte flüssige Kühlmittel.A "liquid-based cooling circuit" in the sense of the disclosure is a closed circuit, the coolant of which is a liquid, such as water, oil or other known liquid coolants.
Ein „Strahlungswandler“ im Sinne der Offenbarung ist ein Bauteil, das von einem Strahler angestrahlt wird und das selbst wieder Strahlung in einer bestimmten Wellenlänge emittiert.A "radiation converter" in the sense of the disclosure is a component that is produced by a radiator is illuminated and that itself emits radiation in a certain wavelength.
„Oberflächenvergrößerung‟ im Sinne der Offenbarung ist jegliches Mittel, das eine Oberfläche für Kühlzwecke vergrößert wie z.B. Lamellen, Rippen etc. um die Kühlleistung zu erhöhen."Surface enlargement" in the sense of the disclosure is any means that enlarges a surface for cooling purposes, such as fins, ribs etc. to increase the cooling capacity.
„Kühlteil“ im Sinne der Offenbarung ist ein Wärmetauscher.“Cooling part” in the sense of the disclosure is a heat exchanger.
Ausführliche Beschreibung der OffenbarungDetailed description of the disclosure
Im Folgenden werden die verschiedenen Aspekte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Offenbarung näher beschrieben.The various aspects and advantageous configurations of the disclosure are described in more detail below.
Die der Anmeldung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch Sinteraggregat geeignet für eine 3D-Druckvorrichtung, wobei das Sinteraggregat gekennzeichnet ist durch einen geschlossenen Luftkühlkreislauf und einen flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf.The object on which the application is based is achieved by a sintering unit suitable for a 3D printing device, the sintering unit being characterized by a closed air cooling circuit and a liquid-based cooling circuit.
Die der Anmeldung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch Verfahren zur Herstellung eines Formteils mittels Partikelmaterialauftrag und selektiver Verfestigung, wobei ein Sinteraggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in dem Verfahren verwendet wird, wobei das flüssigkeitsbasierte Kühlmittel den geschlossenen Luftkühlkreislauf im Wesentlichen kühlt, der wiederrum den oder die Spektrumswandler im Wesentlichen kühlt.The object on which the application is based is further achieved by a method for producing a molded part by means of particle material application and selective solidification, a sintering unit according to one of claims 1 to 10 being used in the method, wherein the liquid-based coolant essentially cools the closed air cooling circuit, which in turn cools the or the spectrum converter essentially cools.
Mit dem Sinteraggregat nach der Offenbarung wird es vorteilhafter Weise möglich die in dem 3D-Verfahren wie einem High-Speed-Sintering-Verfahren durch ein Sinteraggregat erzeugte Wärme besser abzuführen und eine vorteilhafte Temperierung in der 3D-Druckanlage einzustellen.With the sintering unit according to the disclosure, it is advantageously possible to better dissipate the heat generated by a sintering unit in the 3D process, such as a high-speed sintering process, and to set an advantageous temperature control in the 3D printing system.
Weiterhin vorteilhaft ist, dass ein Sinteraggregat nach der Offenbarung leicht zu warten ist und im Wesentlichen kein Wartungsaufwand durch Verschmutzungen innerhalb des Sinteraggregates anfällt.It is also advantageous that a sintering unit according to the disclosure is easy to maintain and there is essentially no maintenance effort due to soiling within the sintering unit.
Weiterhin kann durch das gezielte Kühlen der Spektrumswandler in dem Sinteraggregat nach der Offenbarung das emittierte Wellenlängenspektrum einfacher und konstanter im gewünschten Spektrum gehalten werden. Dies hat auch positive Auswirkungen auf den Herstellungsprozess und Qualitätsvorteile hinsichtlich der hergestellten Formteile.Furthermore, through the targeted cooling of the spectrum converters in the sintering unit, according to the disclosure, the emitted wavelength spectrum can be kept more easily and more constant in the desired spectrum. This also has positive effects on the manufacturing process and quality advantages with regard to the molded parts produced.
Ein Sinteraggregat nach der Offenbarung kann das Baufeld teilweise oder ganz abdecken. Die Form des Sinteraggregats ergibt sich aus den Überlegungen zur Baufeldgeometrie. Um den Zeitverlust in X-Richtung bei Überstreichen des Prozessfeldes mittels des Sinteraggregats und die darin miteingeschlossene Umkehrstrecke möglichst gering zu halten, folgt als Formvorgabe ein in X-Richtung möglichst schmales Aggregat. Eine lange und relative dazu schmale Sintervorrichtung stellt jedoch besondere Herausforderungen an das Temperaturmanagement, dem nur mittels einer speziellen Art der Auslegung Rechnung getragen werden kann. Aufgrund der großen Grundfläche des Aggregats kann die durch sekundäre Effekte an der Strahlereinheit und absorbiertem Spektrum der beiden Spektrumswandler erzeugte Wärmemenge durch die herkömmliche Kühlvorrichtung mit fluiddurchströmtem Vorrichtungsdeckel nicht mehr Rechnung getragen werden. Die Folge ist ein Überhitzen der Spektrumswandler, was wiederum unerwünschte Sekundärstrahlung hervorrufen würde, bzw. eine stark verkürzte Lebensdauer der Strahlereinheit zur Folge hätte.A sintering unit according to the disclosure can partially or completely cover the construction field. The shape of the sintering unit results from the considerations for the construction field geometry. In order to keep the loss of time in the X direction when sweeping over the process field by means of the sintering unit and the reversal path included in it, the shape specification is an unit that is as narrow as possible in the X direction. A long and relatively narrow sintering device, however, poses particular challenges for temperature management, which can only be taken into account by means of a special type of design. Due to the large base area of the unit, the amount of heat generated by secondary effects on the radiator unit and the absorbed spectrum of the two spectrum converters can no longer be taken into account by the conventional cooling device with the device cover through which fluid flows. The result is overheating of the spectrum converter, which in turn would cause undesired secondary radiation or would result in a greatly reduced service life of the emitter unit.
Dem kann nur dadurch entgegnet werden, dass die Kopplung zwischen erzeugter und abgeführter Wärme verbessert wird. Die Wärmemenge kann nicht einfach aus dem Aggregat transportiert werden z.B. durch Luftkühlung mittels eines angebauten Ventilators, da dies Verunreinigungen des Aggregatraums zur Folge hätte und eine Zu- und Ableitung der Luft dadurch erschwert wird, dass sich die Vorrichtung in ständiger Bewegung befindet und mehrere Tausend Zyklen des Überstreichens des Prozessfeldes während eines einzelnen Bauprozesses vollführt.This can only be countered by improving the coupling between generated and dissipated heat. The amount of heat cannot simply be transported out of the unit, e.g. by air cooling by means of a built-in fan, as this would result in contamination of the unit space and the fact that the device is in constant motion and runs for several thousand cycles is made more difficult of sweeping over the process field during a single construction process.
Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass ein Strahleraggregat zum Einsatz kommt, welches über eine geschlossene Luftzirkulation alle Wärmezuführenden Elemente mit einem Kühlmittel koppelt. Die Luftzirkulation kann dabei beispielsweise durch Ventilatoren und/oder dem Einspeisen von Druckluft und Einsatz von Diffusoren erzeugt werden.This problem can be solved by using a radiator unit which couples all heat-supplying elements with a coolant via a closed air circulation. The air circulation can be generated, for example, by fans and / or by feeding in compressed air and using diffusers.
Bevorzugte Ausgestaltungen nach der Offenbarung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Preferred configurations according to the disclosure are described in the subclaims.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Sinteraggregat nach der Offenbarung dadurch gekennzeichnet sein, dass die Luft in dem geschlossenen Luftkühlkreislauf zirkuliert wird, vorzugsweise durch ein Ventilationsmittel im Luftkühlkreislauf.In a preferred embodiment, the sintering unit according to the disclosure can be characterized in that the air is circulated in the closed air cooling circuit, preferably by a ventilation means in the air cooling circuit.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Sinteraggregat nach der Offenbarung dadurch gekennzeichnet sein, dass der flüssigkeitsbasierte Kühlkreislauf an der dem Baufeld abgewandten Seite angeordnet ist oder/und mit einem weiteren Kühlmittel, vorzugsweise einem externen Kühlmittel, gekoppelt ist.In a preferred embodiment, the sintering unit according to the disclosure can be characterized in that the liquid-based cooling circuit is arranged on the side facing away from the construction field and / or is coupled to a further coolant, preferably an external coolant.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Sinteraggregat nach der Offenbarung dadurch gekennzeichnet sein, dass der geschlossene Luftkühlkreislauf zumindest teilweise an einem Strahlungswandler vorbei geleitet ist, vorzugsweise wobei der Luftkühlkreislauf zumindest teilweise zwischen zwei Strahlungswandlern vorbei geleitet ist.In a preferred embodiment, the sintering unit according to the disclosure can be characterized in that the closed Air cooling circuit is passed at least partially past a radiation converter, preferably wherein the air cooling circuit is passed at least partially between two radiation converters.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Sinteraggregat nach der Offenbarung dadurch gekennzeichnet sein, dass in dem Luftkühlkreislauf Mittel zur Oberflächenvergrößerung angeordnet sind, vorzugsweise Kühlrippen, Kühlfinnen, Kühlschlangen oder Kühlwendel, die mit dem flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf gekoppelt sind.In a preferred embodiment, the sintering unit according to the disclosure can be characterized in that means for increasing the surface area are arranged in the air cooling circuit, preferably cooling fins, cooling fins, cooling coils or cooling coils, which are coupled to the liquid-based cooling circuit.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Sinteraggregat nach der Offenbarung dadurch gekennzeichnet sein, dass ein IR-Strahler zwischen einem primären und sekundären Strahlungswandler und dem flüssigkeitsbasierten Kühlkreislauf angeordnet ist und gegebenenfalls ein Reflektor zwischen dem IR-Strahler und einem flüssigkeitsdurchströmten Kühlteil angeordnet ist.In a preferred embodiment, the sintering unit according to the disclosure can be characterized in that an IR radiator is arranged between a primary and secondary radiation converter and the liquid-based cooling circuit and, if necessary, a reflector is arranged between the IR radiator and a cooling part through which the liquid flows.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Sinteraggregat nach der Offenbarung dadurch gekennzeichnet sein, dass der flüssigkeitsbasierte Kühlkreislauf mittels eines flüssigkeitsdurchströmten Kühlteils an der Außenseite des Sinteraggregats gekühlt wird, wobei das Kühlteil vorzugsweise ein tragender Deckel ist.In a preferred embodiment, the sintering unit according to the disclosure can be characterized in that the liquid-based cooling circuit is cooled by means of a cooling part through which liquid flows on the outside of the sintering unit, the cooling part preferably being a supporting cover.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Sinteraggregat nach der Offenbarung dadurch gekennzeichnet sein, dass sich Hohlräume für den geschlossenen Luftkühlkreislauf zwischen dem primären und sekundären Strahlungswandler und zwischen dem primären Strahlungswandler und dem tragenden Deckel befinden, vorzugsweise wobei hier Oberflächenvergrößerungen des flüssigkeitsdurchströmten Kühlteils angeordnet sind, und sich gegebenenfalls Hohlräume in den Seitenwänden des Sinteraggregats befinden, wobei alle Hohlräume miteinander in Verbindung stehen und so einen geschlossenen Luftkühlkreislauf bilden.In a preferred embodiment, the sintering unit according to the disclosure can be characterized in that there are cavities for the closed air cooling circuit between the primary and secondary radiation converters and between the primary radiation converters and the supporting cover, preferably with surface enlargements of the cooling part through which the liquid flows, and each other if necessary, cavities are located in the side walls of the sintering unit, all cavities being connected to one another and thus forming a closed air cooling circuit.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Sinteraggregat nach der Offenbarung dadurch gekennzeichnet sein, dass in dem Hohlraum zwischen dem primären Strahlungswandler und dem tragenden Deckel ein Reflektor angeordnet ist.In a preferred embodiment, the sintering unit according to the disclosure can be characterized in that a reflector is arranged in the cavity between the primary radiation converter and the supporting cover.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Sinteraggregat nach der Offenbarung dadurch gekennzeichnet sein, dass der geschlossene Luftkühlkreislauf keine Verbindung zur Umgebungsluft aufweist.In a preferred embodiment, the sintering unit according to the disclosure can be characterized in that the closed air cooling circuit has no connection to the ambient air.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine 3D-Druckvorrichtung, die ein Sinteraggregat nach der Offenbarung umfasst, wobei das weitere Kühlmittel, vorzugsweise ein externes Kühlmittel, außerhalb der 3D-Druckvorrichtung angeordnet ist.In a further aspect, the disclosure relates to a 3D printing device that comprises a sintering unit according to the disclosure, the further coolant, preferably an external coolant, being arranged outside the 3D printing device.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils mittels Partikelmaterialauftrag und selektiver Verfestigung, wobei ein Sinteraggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in dem Verfahren verwendet wird, wobei das flüssigkeitsbasierte Kühlmittel den geschlossenen Luftkühlkreislauf im Wesentlichen kühlt, der wiederrum den oder die Spektrumswandler im Wesentlichen kühlt.In a further aspect, the disclosure relates to a method for producing a molded part by means of particle material application and selective solidification, a sintering unit according to one of claims 1 to 10 being used in the method, wherein the liquid-based coolant essentially cools the closed air cooling circuit, which in turn cools the or the spectrum converter essentially cools.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Verfahren nach der Offenbarung dadurch gekennzeichnet sein, dass das Verfahren ein High-Speed-Sintering-Verfahren oder ein Multi-Jet-Fusion-Verfahren ist.In a preferred embodiment, the method according to the disclosure can be characterized in that the method is a high-speed sintering method or a multi-jet fusion method.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Verfahren nach der Offenbarung dadurch gekennzeichnet sein, dass das Verfahren ein Laser-Sinter-Verfahren ist und das Sinteraggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Partikelmaterialtemperierung auf dem Baufeld verwendet wird.In a preferred embodiment, the method according to the disclosure can be characterized in that the method is a laser sintering method and the sintering unit according to one of claims 1 to 10 is used for temperature control of the particle material on the construction field.
Weitere beispielhafte Darstellung der OffenbarungFurther exemplary representation of the disclosure
Verschiedene Aspekte der Offenbarung werden im Folgenden beispielhaft beschrieben, ohne dass diese beschränkend verstanden werden sollen. Auch kann jeder Aspekt aus den unten dargestellten Beispielhaften Figuren in jeder Kombination nutzbar gemacht werden.Various aspects of the disclosure are described in the following by way of example, without these should be understood in a restrictive manner. Each aspect from the exemplary figures shown below can also be used in any combination.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand verschiedener Beispiele mithilfe der Figuren weiter erläutert:In the following, the invention is further explained with the aid of various examples using the figures:
Fig. S1 skizziert ein Sinteraggregat mit Spektrumswandler (
Jegliche Strahlung wird also zu bestimmten Anteilen absorbiert (A), reflektiert (R), oder transmittiert (T).All radiation is therefore absorbed (A), reflected (R), or transmitted (T) to a certain extent.
Die durch Absorption entstehende Temperaturerhöhung findet meist mittig der Wandlerfläche statt, wie im rechten Teil der Skizze dargestellt. Grund hierfür ist, dass der Spektrumswandler seine Temperatur nur über die Montagepunkte abgeben kann, mit denen er mit dem Gehäuse des Aggregats verbunden ist. Auch wenn der sekundäre Spektrumswandler für die hindurchgehende Strahlung möglichst transparent ausgelegt wird und das Spektrum nicht maßgeblich wandelt, verbleibt ein gewisser Restteil der Strahlung in diesem zurück, sodass auch diese Verluste zu einer Temperaturerhöhung führen. Durch die Temperaturerhöhung wird der Spektrumswandler wiederum zu einem Emittier sog. Sekundärstrahlung (
Hierbei bezeichnet P die Leistung der emittierten elektromagnetischen Strahlung, ε(T) den temperaturabhängigen Emissionsgrad, σ die Stefan-Boltzmann-Konstante, A die Fläche (
Wie aus der Skizze ersichtlich wird, mischt sich die induzierte Sekundärstrahlung (
Zwar wäre eine Kühlung der Spektrumswandler mit einem flüssigen Medium ebenfalls denkbar, dies würde aber hohe Ansprüche an Dichtigkeit und Fluidversorgung stellen. Zu bedenken ist hierbei, dass in einem Sinteraggregat wie es beim High Speed Sintering eingesetzt wird, erhebliche Energiemengen umgesetzt werden, die durchaus 10 - 20 kW übersteigen können. Dabei müsste dann sichergestellt sein, dass z.B. die Dichtmittel einer eventuellen Abwärme standhalten und zugleich ihre Funktion zuverlässig erfüllen. Des Weiteren wäre gerade bei größeren Ausführungen des Sinteraggregats das Gewicht eines flüssigen Mediums nicht unerheblich, was weitere Kosten aufgrund der Notwendigkeit einer stabileren Auslegung nach sich ziehen würde. Bei einem flüssigen Medium muss des Weiteren sichergestellt werden, dass dieses die Siedetemperatur nicht überschreitet.Cooling the spectrum converter with a liquid medium would also be conceivable, but this would place high demands on tightness and fluid supply. It should be noted here that in a sintering unit like the one used in high-speed sintering, considerable amounts of energy are converted that can easily exceed 10-20 kW. It would then have to be ensured that, for example, the sealants can withstand any waste heat and at the same time reliably fulfill their function. Furthermore, especially with larger versions of the sintering unit, the weight of a liquid medium would not be insignificant, which would entail additional costs due to the need for a more stable design. In the case of a liquid medium, it must also be ensured that it does not exceed the boiling temperature.
Fig. S2 zeigt den Schnitt durch eine Sinteraggregat-Vorrichtung mit geschlossenem sekundären Luftkreislauf. Auf der mit einem Kühlmedium durchströmten Platte (
Die schematische Darstellung in Fig. S3 zeigt ein erfindungsgemäßes Sinteraggregat in der Seitenansicht (YZ-Ebene) mit eingezeichnetem Luftstrom (
Die Fläche auf die die Konvektion wirkt wird mit A bezeichnet, der Wärmestrom Q̇̇, gemessen in W/m2 ist von der Temperaturdifferenz der Fläche TA zum Fluid TFl abhängig, ebenso wie vom Wärmeübergangskoeffizient a. Wird der Gasstrom zwischen den Spektrumswandlern nun von diesen erhitzt, nimmt er mit steigender Temperatur immer weniger Wärme auf, womit die Kühlleistung kleiner wird. Dem kann nur durch erneute Temperaturerniedrigung des Gasstromes entgegengewirkt werden, Indem dieser an den Kühlrippen vorbeigeführt wird.The area on which the convection acts is denoted by A, the heat flow Q̇̇, measured in W / m 2 , depends on the temperature difference between the area T A and the fluid T Fl , as well as on the heat transfer coefficient a. If the gas flow between the spectrum converters is now heated by these, it absorbs less and less heat as the temperature rises, which reduces the cooling capacity. This can only be counteracted by lowering the temperature of the gas flow again by leading it past the cooling fins.
Die Frontalansicht im Schnitt in Fig. S4 in XZ-Ebene zeigt das Sinteraggregat mit eingezeichneten Ventilatoren (
Weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel einer Sinteraggregat-Vorrichtung:
- In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist das Sinteraggregat
S202 mittels einer in sich geschlossenen LuftzirkulationS205 ausgestattet, wie Fig. S2 im Schnitt durch die Vorrichtung in XZ-Ebene schematisch skizziert. Dabei wird die sich im Aggregat befindlich Luft durch den Hohlraum zwischen den SpektrumswandlernS203 undS204 und an KühlrippenS201 , welche mit dem Kühldeckel verbunden sind vorbei geleitet. Dies ermöglicht eine starke Steigerung in der Effizienz der durch den wasserdurchströmten DeckelS208 ermöglichten Wärmeabfuhr. Außerdem wird durch den kontinuierlichen Luftstrom die Wärme gleichmäßiger abgeführt, was der örtlichen Kontinuität des abgegebenen Strahlungsspektrums zu Gute kommt.
- In an exemplary embodiment, the sintering unit is
S202 by means of a closed air circulationS205 equipped, as sketched schematically in FIG. S2 in section through the device in the XZ plane. The air in the unit is then passed through the cavity between the spectrum convertersS203 andS204 and on cooling finsS201 , which are connected to the cooling cover passed over. This enables a strong increase in the efficiency of the cover through which water flowsS208 enabled heat dissipation. In addition, the continuous air flow dissipates the heat more evenly, which benefits the local continuity of the emitted radiation spectrum.
Das Sinteraggregat in der Seitenansicht (YZ-Ebene) mit eingezeichnetem Luftstrom in Fig. S4 offenbart eine Aussparung
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- S101S101
- Sinteraggregat nach dem Stand der TechnikState-of-the-art sintering unit
- S102S102
- IR-StrahlerIR emitter
- S103S103
- Reflektorreflector
- S104S104
- Emittierte, im Wesentlichen Planck'sche StrahlungEmitted, essentially Planckian radiation
- S105S105
- Primärer SpektrumswandlerPrimary spectrum converter
- S106S106
- Sekundärer SpektrumswandlerSecondary spectrum converter
- S107S107
- Emittiertes gewandeltes SpektrumEmitted converted spectrum
- S108S108
- Bereich des Spektrumswandlers, der aufgrund der Wandlung Temperaturerhöhung erfährtArea of the spectrum converter that experiences a temperature increase due to the conversion
- S109S109
- Durch den Temperaturanstieg des Spektrumswandlers emittierte, unerwünschte Sekundärstrahlung Unwanted secondary radiation emitted by the temperature rise of the spectrum converter
- S201S201
- KühlrippenCooling fins
- S202S202
- Seitenwändeside walls
- S203S203
- Primärer SpektrumswandlerPrimary spectrum converter
- S204S204
- Sekundärer SpektrumswandlerSecondary spectrum converter
- S205S205
- Luftstrom durch die KühlrippenAir flow through the cooling fins
- S206S206
- Reflektorreflector
- S207S207
- StrahlerSpotlights
- S208S208
- Kühlfluiddurchströmter, tragender Deckel Carrying cover through which cooling fluid flows
- S301S301
- Kühlfluiddurchströmter, tragender DeckelCarrying cover through which cooling fluid flows
- S302S302
- Hohlraum oberhalb um Reflektor mit Kühlrippen bestücktThe cavity above the reflector is fitted with cooling fins
- S303S303
- Ventilatorfan
- S304S304
- LuftstromAirflow
- S305S305
- Primärer StrahlungswandlerPrimary radiation converter
- S306S306
- Sekundärer StrahlungswandlerSecondary radiation converter
- S307S307
- Luftstrom durch Aussparung der Seitenwand in der Mitte des Aggregats Air flow through the recess in the side wall in the middle of the unit
- S401S401
- Kühlfluiddurchströmter, tragender DeckelCarrying cover through which cooling fluid flows
- S402S402
- StrahlerSpotlights
- S403S403
- Ventilatorfan
- S404S404
- Hohlraum in kurzen Seitenwänden der kurzen Seite für LuftführungCavity in short side walls on the short side for air routing
- S405S405
- LuftstromAirflow
- S406S406
- Sekundärer StrahlungswandlerSecondary radiation converter
- S407S407
- Primärer StrahlungswandlerPrimary radiation converter
- S408S408
- Hohlraum zwischen beiden StrahlungswandlernCavity between the two radiation converters
- S409S409
- Reflektorreflector
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- EP 0431924 B1 [0002]EP 0431924 B1 [0002]
- DE 102017006860 [0006, 0017, 0077]DE 102017006860 [0006, 0017, 0077]
- EP 1319240 [0009, 0081]EP 1319240 [0009, 0081]
Claims (10)
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-
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- 2019-11-18 DE DE102019007984.1A patent/DE102019007984A1/en active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: VOXELJET AG, DE Free format text: FORMER OWNER: VOXELJET AG, 86316 FRIEDBERG, DE |
|
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: WAGNER + HELBIG PATENTANWAELTE, DE |
|
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: HOEFER & PARTNER PATENTANWAELTE MBB, DE Representative=s name: VIERING, JENTSCHURA & PARTNER MBB PATENT- UND , DE |
|
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: VIERING, JENTSCHURA & PARTNER MBB PATENT- UND , DE |