DE102023001578A1

DE102023001578A1 - Fluidsystem und Verfahren zum Zuführen eines Fluids zu einem Druckkopf in einem 3D-Drucker

Info

Publication number: DE102023001578A1
Application number: DE102023001578.4A
Authority: DE
Inventors: Frank Wedemeyer; Ivan Gaer; Rudolf Wintgens
Original assignee: Laempe Moessner Sinto GmbH; Laempe Mossner Sinto GmbH
Current assignee: Laempe Moessner Sinto GmbH; Laempe Mossner Sinto GmbH
Priority date: 2023-04-21
Filing date: 2023-04-21
Publication date: 2024-10-24
Also published as: WO2024217613A1

Abstract

Der Erfindung, welche ein Fluidsystem (12) und ein Verfahren zum Zuführen eines Fluids (7) zu einem Druckkopf (1) in einem 3D-Drucker betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, womit eine sichere Zufuhr des Fluids (7) zu mehreren Dosiereinheiten (2) in einem oder mehreren Druckköpfen (1) sichergestellt wird, wobei Schwankungen des Fluiddrucks verringert und ein Druckbild bei der schichtweisen Erzeugung einer 3D-Struktur verbessert werden. Diese Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass zwischen dem Vorratstank (16) und dem Druckkopftank (14) ein Verteilerblock (17) angeordnet ist, dass der Verteilerblock (17) einen Zulauf (18), welcher über eine Fluidvorlaufleitung (19) mit dem Vorratstank (16) verbunden ist, und einen Ablauf (20), welcher über eine Fluidrücklaufleitung (21) mit dem Vorratstank (16) verbunden ist, aufweist und dass der Verteilerblock (17) mindestens zwei weitere Anschlüsse (22) aufweist, welche über je eine Fluidleitung (15) mit je einem Druckkopftank (14) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fluidsystem zum Zuführen eines Fluids zu einem Druckkopf in einem 3D-Drucker, wobei der Druckkopf mehrere Dosiereinheiten aufweist und mit einem Druckkopftank verbunden ist und wobei der Druckkopftank über eine Fluidleitung zumindest mittelbar mit einem Vorratstank zur Bevorratung des Fluids verbunden ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Zuführen eines Fluids zu einem Druckkopf in einem 3D-Drucker, bei welchem ein Fluid aus einem Vorratstank zumindest mittelbar in einen Druckkopftank des Druckkopfes gefördert wird, wobei der Druckkopftank mit einem Druckkopf zur Zuleitung des Fluids zum Druckkopf verbunden bereitgestellt wird.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Fluidsystem und ein Verfahren zum Zuführen eines Fluids zu einem Druckkopf in einem 3D-Drucker, wobei durch Düsen der in einem Druckkopf angeordneten Dosiereinheiten ein Fluid wie ein Bindemittel auf eine auf einem Baufeld des 3D-Druckers erzeugte Schicht eines partikelförmigen Baumaterials aufgetragen wird, um selektive Verfestigungen bei einer Erzeugung einer 3D-Struktur im 3D-Drucker zu erreichen.
Bekannt ist es, zur Herstellung einzelner oder serienmäßiger Bauteile, Werkstücke oder Formen einen sogenannten 3D-Druck beziehungsweise ein sogenanntes 3D-Druckverfahren einzusetzen. Bei derartigen Druckverfahren werden dreidimensionale Bauteile oder Werkstücke schichtweise aufgebaut hergestellt.
Der Aufbau erfolgt rechnergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Vorgaben für die zu druckenden Bauteile oder Werkstücke können beispielsweise von sogenannten rechnerunterstützten Konstruktionssystemen (CAD engl. computer-aided design) bereitgestellt werden.
Beim Druck der 3D-Strukturen bzw. 3D-Bauteile finden physikalische oder chemische Härtungsprozesse oder ein Schmelzprozess in einem partikelförmigen Baumaterial, welches auch als Formstoff bezeichnet wird, statt. Als Werkstoffe für derartige 3D-Druckverfahren werden Baumaterialien bzw. Formstoffe wie Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken, unverfestigte Sedimente wie Mineralien oder Sande und Metalle eingesetzt.
Bei der Umsetzung von 3D-Druckverfahren sind verschiedene Fertigungsverfahrensabläufe bekannt.
Mehrere dieser Verfahrensabläufe umfassen jedoch die nachfolgend beispielhaft dargestellten Verfahrensschritte:

• Teil- oder vollflächiges Auftragen von partikelförmigem Baumaterial, auch als Partikelmaterial oder pulverförmiges Aufbaumaterial bezeichnet, auf ein sogenanntes Baufeld, um eine Schicht aus nichtverfestigtem Partikelmaterial zu bilden, wobei das teil- oder vollflächige Auftragen von partikelförmigem Baumaterial das Austragen und das Glätten des partikelförmigen Baumaterials umfasst;
• Selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht aus nichtverfestigtem partikelförmigem Baumaterial in vorbestimmten Teilbereichen, beispielsweise durch ein selektives Verdichten, Aufdrucken oder Aufbringen von Behandlungsmitteln, wie beispielsweise einem Fluid beziehungsweise Bindemittel, mittels eines Druckkopfes, dem Einsatz eines Lasers oder Elektronenstrahlen;
• Wiederholung der vorhergehenden Verfahrensschritte in einer weiteren Schichtebene zum schichtweisen Aufbau des Bauteils oder Werkstücks. Hierfür ist es vorgesehen, dass Bauteil oder Werkstück, welches auf dem Baufeld schichtweise aufgebaut bzw. aufgedruckt wird, mit dem Baufeld jeweils um eine Schichtebene oder Schichtdicke abzusenken oder die 3D-Druckvorrichtung jeweils um eine Schichtebene oder Schichtdicke gegenüber dem Baufeld anzuheben, bevor eine neue Schicht teil- oder vollflächig aufgetragen wird;
• Nachfolgendes Entfernen von losem, nichtverfestigtem partikelförmigem Baumaterial, welches das gefertigte Bauteil oder Werkstück umgibt.

Als partikelförmiges Baumaterial wird allgemein eine Ansammlung einzelner Teilchen eines Stoffs oder eines Stoffgemischs verstanden, wobei jedes Teilchen eine dreidimensionale Erstreckung aufweist. Da diese Teilchen überwiegend als runde, ovale oder auch längliche Teilchen aufgefasst werden können, ist es möglich, einen durchschnittlichen Durchmesser für ein derartiges Teilchen anzugeben, welcher meist im Bereich zwischen 0,01 mm bis 0,4 mm liegt. Ein derartiges partikelförmiges Baumaterial kann fluide Eigenschaften aufweisen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Erzeugen einer 3D-Struktur beziehungsweise zum Austragen und Auftragen von partikelförmigem Baumaterial auf ein Baufeld zur Erzeugung einer 3D-Struktur bekannt. Ebenso sind verschiedene Fluidsysteme und Verfahren zum Zuführen eines Fluids zu einem Druckkopf in einem 3D-Drucker bekannt.
Bekannt ist es, ein Aufdrucken oder Aufbringen von Behandlungsmitteln, wie beispielsweise einem Fluid beziehungsweise Bindemittel, beispielsweise mittels eines Druckkopfes zu realisieren, in welchem mehrere sogenannte Dosiereinheiten mit entsprechenden Düsen angeordnet sind. In einem Beispiel sind die Dosiereinheiten mit ihren Düsen in einer Matrix mit mehreren Zeilen und mehreren Spalten im Druckkopf angeordnet. Jede Dosiereinheit im Druckkopf kann separat angesteuert werden, wobei die Dosiereinheit eine vorgegebene Menge (Tropfen) des Fluids beziehungsweise Bindemittels über ihre Düse auf das auf dem Baufeld aufgetragene partikelförmige Material der aktuell zu erzeugenden Schicht abgibt.
Aus der EP 3 177 453 B1 sind ein Druckkopf sowie dessen Verwendung und ein 3D-Druckverfahren bekannt. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Druckkopf bereitzustellen, der die angegebenen Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Zur Lösung wird ein Druckkopf angegeben, welcher insbesondere zum selektiven Auftragen von Druckfluid auf ein Partikelmaterial beim Herstellen dreidimensionaler Modelle mittels Schichtaufbautechnik geeignet ist. Ein Druckkopftank zur Aufnahme von Druckfluid ist mit Druckkopfmodulen verbunden, durch die das Druckfluid in Pumpkammern und zu den Düsen eines Druckkopfes geleitet wird. Zur Befüllung des Druckkopftanks ist dieser über eine Verschlauchung mit einem Zwischentank verbunden, welcher über einen Ventilblock mit einem von mehreren Vorratsbehältern für das Druckfluid verbunden werden kann.
Weiterhin ist ein metallischer Träger vorgesehen, an dem die Druckkopfmodule angebracht sind. Weiterhin sind zum Durchführen des Druckfluids durch den metallischen Träger Kunststofffluidführungen vorgesehen, die durch den metallischen Träger positioniert werden. Somit sind metallische Teile zur Positionierung derart ausgespart, dass Kunststoffteile zur Fluidführung eingesetzt werden können, die nicht direkt die Positionierung des Druckkopfes beeinflussen.
Aus der EP 3 600 843 B1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch additive Fertigung aus einem gemischten Harz bekannt. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren für die additive Fertigung zu schaffen, welches die Herstellung von Objekten mit vielfältigen oder fein abgestimmten mechanischen Eigenschaften ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist es vorgesehen, dass ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch additive Fertigung aus einem gemischten Harz bereitgestellt wird, wobei das gemischte Harz mindestens eine lichtpolymerisierbare erste Komponente und optional, aber bevorzugt, mindestens eine oder mehrere zweite verfestigbare Komponenten umfasst, die sich von der ersten Komponente unterscheiden.
Bei diesem Verfahren erfolgt nach einer Bereitstellung eines ersten Harzes und eines zweiten Harzes ein Mischen des ersten und zweiten Harzes miteinander, um das gemischte Harz herzustellen, aus welchem ein dreidimensionaler Gegenstand mit mechanischen Eigenschaften erzeugt werden kann.
Nach einem selektiven Abgeben des gemischten Harzes an den Baubereich einer additiven Herstellungsvorrichtung erfolgt die Herstellung eines dreidimensionalen Objekts aus dem gemischten Harz in der Vorrichtung zur Erzeugung des dreidimensionalen Objekts. Die verschiedenen Harze werden in separaten Tanks bevorratet, über Ventile und Pumpen einer Mischeinrichtung zugeführt und über entsprechende Düsen dosiert.
Ein allgemeines Problem des bekannten Standes der Technik liegt darin, dass die Fluidsysteme zum Zuführen eines Fluids zu einem Druckkopf und dessen Düsen Bereiche wie beispielsweise Leitungen aufweisen, in denen das zum Druckkopf zu fördernde Fluid zumindest zeitweise keine Fließgeschwindigkeit aufweist beziehungsweise in einem Tank oder in der Leitung ruht. Ein derartiger Zustand tritt beispielsweise für den Fall ein, dass der Druckkopf oder zwischengeschaltete Tanks keinen Bedarf an einer Förderung beziehungsweise Nachförderung des Fluids haben. Weist ein Tank oder Zwischentank im System zum Zuführen eines Fluids einen entsprechend großen Füllstand auf, wird es mit hoher Wahrscheinlichkeit für eine gewisse Zeit nicht mehr notwendig sein, diesen Tank oder Zwischentank weiter zu befüllen beziehungsweise nachzufüllen. Erst wenn ein entsprechender Sensor dieses Tanks oder Zwischentanks einen abgesunkenen Füllstand erkennt, wird das Fluid nachgefördert.
In Tanks, Zwischentanks und insbesondere in Leitungen stehendes Fluid kann sogenannte Ausflockungen oder Agglomerate ausbilden. Dies kommt sowohl bei organischen wie auch bei anorganischen Fluiden beziehungsweise Bindemitteln zum Binden des partikelförmigen Baumaterials vor. Entstehen derartiger Ausflockungen oder Agglomerate sind möglicherweise Verstopfungen und/oder Druckschwankungen im Fluidsystem und/oder eine erhöhte Viskosität des Binders die Folge. Eine Verstopfung einer Leitung, eines Ventils oder einer Düse führt weiterhin zu Ungenauigkeiten beziehungsweise Fehlern bei der Erzeugung einer 3D-Struktur im 3D-Drucker, da beispielsweise zu wenig Fluid zum Druckkopf gefördert werden kann. Druckschwankungen oder eine Druckminderung des Fluids führen zu einer Verschlechterung des Druckbilds eines oder mehrerer Druckköpfe und somit zu Ungenauigkeiten beziehungsweise Fehlern bei der Erzeugung einer 3D-Struktur.
Weiterhin kann es in den bekannten Fluidsystemen, in Abhängigkeit der Komplexität und der Anzahl der zu versorgenden Druckköpfe beziehungsweise Dosiereinheiten in den Druckköpfen, zu unterschiedlichen Drücken des Fluids in den Leitungen wie auch in den Dosiereinheiten der Druckköpfe kommen. Ursache für derartige Druckverluste in den Leitungen sind insbesondere unterschiedliche Längen von Leitungen, Biegungen der Leitungen mit unterschiedlichen Radien oder Leitungsmaterialien mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften beziehungsweise Rauheiten. Derartige unterschiedliche Drücke des Fluids führen zu unterschiedlich großen Volumina des tropfenförmig aus den Düsen der Dosiereinheiten ausgestoßenen Fluids und somit ebenfalls zu Ungenauigkeiten beziehungsweise Fehlern bei der Erzeugung einer 3D-Struktur.
In Systemen, in welchen mehrere Druckköpfe aus einem Tank versorgt werden, kann es beispielsweise bei einem temporär hohen Bedarf des Fluids in den Druckköpfen zu einem Absinken des Drucks in der Zulaufleitung kommen. Außerdem kommt zu einem relativ schnellen Absinken des Füllstands des zugehörigen Tanks. Auch in diesem Fall kommt es durch eine Druckschwankung oder durch einen Druckverlust zu einer Verschlechterung des Druckbilds mit entsprechenden Folgen für die Qualität der zu erzeugenden 3D-Struktur.
Aus der DE 10 2019 008 328 A1 sind eine Dosiereinheit in einem Druckkopf eines 3D-Druckers und ein Verfahren zur Dosierung eines Fluids in einem 3D-Drucker bekannt. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Dosiereinheit in einem Druckkopf eines 3D-Druckers und ein Verfahren zur Dosierung eines Fluids in einem 3D-Drucker anzugeben, womit eine verbesserte Qualität und Zuverlässigkeit bei der Dosierung eines Fluids mittels einer Dosiereinheit erreicht wird.
Zur Lösung ist eine Dosiereinheit angegeben, welche sowohl einen ZuleitungsKanal als auch einen Ableitungs-Kanal aufweist. Derart kann das Fluid in der Dosiereinheit in Bewegung gehalten werden und die Dosiereinheit durchströmen. Dieses Durchströmen erfasst auch den sich an der Düse bildenden Fluidaustrittsbereich. Somit wird das Fluid in der Dosiereinheit wie auch im Fluidaustrittsbereich in einer strömenden Bewegung gehalten und die aus dem Stand der Technik bekannten Veränderungen der Eigenschaften des Fluids, wie Feuchtigkeitsverluste, eine Veränderung der Dichte, eine Veränderung der Viskosität, eine Veränderung der Oberflächenspannung des Fluids, Oxidationserscheinungen und andere mehr, verhindert, da das Fluid ständig erneuert beziehungsweise ausgetauscht wird.
Somit ist eine Teillösung zur Verhinderung von Ausflockungen, Agglomeraten oder Verstopfungen zumindest im Bereich einer Dosiereinheit und somit im Bereich eines Druckkopfes bekannt. Eine Lösung für in Tanks, Zwischentanks und insbesondere in Leitungen stehendes Fluid wird nicht angegeben.
Somit besteht Bedarf nach einem verbesserten Fluidsystem und einem verbesserten Verfahren zum Zuführen eines Fluids zu einem Druckkopf in einem 3D-Drucker, mit welchen Ausflockungen oder Agglomerate des Fluids im Fluidsystem verhindert werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Fluidsystem und ein Verfahren zum Zuführen eines Fluids zu einem Druckkopf in einem 3D-Drucker anzugeben, womit eine sichere Zufuhr des Fluids zu mehreren Dosiereinheiten in einem oder mehreren Druckköpfen sichergestellt wird, wobei Schwankungen des Fluiddrucks verringert und ein Druckbild bei der schichtweisen Erzeugung einer 3D-Struktur verbessert werden.
Die Aufgabe wird durch ein Fluidsystem mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Nach dem Stand der Technik weisen Fluidsysteme zum Zuführen eines Fluids zu einem Druckkopf mindestens einen Druckkopf auf, welcher mehrere Dosiereinheiten aufweist. Dieser Druckkopf ist über eine entsprechende Zuleitung mit einem Druckkopftank verbunden, wobei dieser Druckkopftank über eine Fluidleitung mit einem Vorratstank verbunden ist. In diesem Vorratstank erfolgt die Bevorratung des Fluids für den 3D-Drucker.
Ein derartiger Vorratstank kann innerhalb des 3D-Druckers oder außerhalb des 3D-Druckers angeordnet sein. Bei einer Anordnung des Vorratstanks außerhalb des 3D-Druckers kann der Vorratstank beispielsweise neben oder über dem 3D-Drucker positioniert sein.
Erfindungsgemäß vorgesehen ist es, dass innerhalb einer Druckkopfeinheit jeder Druckkopf über eine Zuleitung oder alternativ über einen Zuleitungskanal und einen Ableitungskanal mit dem zugehörigen Druckkopftank verbunden angeordnet ist.
In einer sogenannten Druckkopfeinheit des erfindungsgemäßen Fluidsystems eines 3D-Druckers ist der Druckkopftank und mindestens ein mehrere Dosiereinheiten aufweisender Druckkopf angeordnet. Der Druckkopf ist mit dem Druckkopftank über eine Zuleitung zum Zuführen des Fluids wie einem Bindemittel aus dem Druckkopftank zu den Dosiereinheiten des Druckkopfs verbunden. Alternativ ist der Druckkopf mit dem Druckkopftank über einen Zuleitungskanal zum Zuführen des Fluids wie einem Bindemittel aus dem Druckkopftank zu den Dosiereinheiten des Druckkopfs und einen Ableitungskanal zum Ableiten des Fluids aus den Dosiereinheiten des Druckkopfes zurück in den Druckkopftank verbunden. In beiden Varianten wird das Fluid durch entsprechende Mittel wie beispielsweise Pumpen vom Druckkopftank zum Druckkopf bewegt.
Bei einer Anordnung mehrerer Druckköpfe in einer Druckkopfeinheit werden aus einem Druckkopftank mehrere angeschlossene Druckköpfe mit ihren Dosiereinheiten parallel versorgt. Hierbei wird das Fluid durch alle Druckköpfe mittels des Zuleitungskanals und des Ableitungskanals in je einem Kreislauf bewegt. In einer derartigen Druckkopfeinheit können beispielsweise sechs Druckköpfe angeordnet und mit dem zugehörigen Druckkopftank mittels des Zuleitungskanals und des Ableitungskanals verbunden sein.
Vorgesehen ist es, dass im Fluidsystem zwischen dem Vorratstank und dem Druckkopftank ein Verteilerblock angeordnet ist, dass der Verteilerblock einen Zulauf, welcher über eine Fluidvorlaufleitung mit dem Vorratstank verbunden ist, und einen Ablauf, welcher über eine Fluidrücklaufleitung mit dem Vorratstank verbunden ist, aufweist und dass der Verteilerblock mindestens zwei weitere Anschlüsse aufweist, welche über je eine Fluidleitung mit je einem in einer Druckkopfeinheit angeordneten Druckkopftank verbunden sind.
Der erfindungsgemäße Verteilerblock ist mit einem Vorratstank zur Zufuhr des Fluids aus dem Vorratstank über eine Fluidvorlaufleitung verbunden. Um Ausflockungen oder Agglomerate zu verhindern, ist es vorgesehen, dass der Verteilerblock auch über eine Fluidrücklaufleitung mit dem Vorratstank verbunden ist. Durch Mittel zur Förderung des Fluids wie beispielsweise einer in der Fluidvorlaufleitung angeordneten Pumpe wird das Fluid aus dem Vorratstank über einen Zulauf in den Verteilerblock gefördert. Außerdem wird das Fluid aus dem Verteilerblock über einen Ablauf in den Vorratstank zurückgefördert, also in einem Kreislauf beziehungsweise Fluidumlauf bewegt. Durch eine derartige permanente Zirkulation des Fluids in einem Fluidumlauf können sich keine oder nur wenige Ausflockungen oder Agglomerate ausbilden. Durch eine derartige kontinuierliche Bewegung des Fluids können sich gegebenenfalls gebildete Ausflockungen oder Agglomerate wieder auflösen.
Vorgesehen ist es, dass der Verteilerblock einen Eingang beziehungsweise Zulauf zum Einleiten des aus dem Vorratstank über die Fluidvorlaufleitung zugeführten Fluids in einen Hohlraum des Verteilerblocks aufweist. Weiterhin hat der Verteilerblock einen ersten Ausgang beziehungsweise Ablauf zum Ableiten des Fluids aus dem Hohlraum des Verteilerblocks in den Vorratstank über die Fluidrücklaufleitung. Außerdem weist der Verteilerblock eine Anzahl von weiteren Ausgängen aus dem Hohlraum auf, an welchen jeweils eine Fluidleitung zur Versorgung eines zugehörigen Druckkopftanks angeschlossen ist. Die Anzahl der vorgesehenen weiteren Ausgänge stimmt mit der Anzahl der angeschlossenen beziehungsweise mit Fluid zu versorgenden Druckkopftanks überein. In einem Beispiel können zwei bis sechs weitere Ausgänge vorgesehen sein.
Vorgesehen ist es weiterhin, dass die Fluidvorlaufleitung und die Fluidrücklaufleitung zwischen dem Vorratstank und dem Verteilerblock geeignete Mittel aufweisen, durch welche es möglich wird, die Fluidzirkulation zu steuern, ohne dass Fluid aus dem System beziehungsweise den Leitungen austritt. Derart kann der Fluidumlauf zwischen dem Vorratstank und dem Verteilerblock gestartet, in seinem Massenstrom geregelt oder unterbrochen werden.
Derart ist es in einer ersten Variante möglich, den Verteilerblock permanent aus dem Vorratstank mit Fluid zu versorgen, wenn durch die geeigneten Mittel die Fluidzirkulation aktiviert beziehungsweise dauerhaft gestartet ist. Derart ist es auch möglich, in einer zweiten Variante den Verteilerblock nur in bestimmten Zeitabschnitten aus dem Vorratstank mit Fluid zu versorgen. Derartige geeignete Mittel zur Beeinflussung der Fluidzirkulation sind beispielsweise eine Pumpe und/oder ein Regelventil.
Die bestimmten Zeitabschnitte sind beispielsweise Zeiten zwischen zwei Druckvorgängen beziehungsweise Druckjobs im 3D-Drucker. In diesen Zeiten wird der Verteilerblock durch die aktivierte Fluidzirkulation mit Fluid aus dem Vorratstank derart aufgefüllt, dass genügend Fluid im Verteilerblock enthalten ist, um den nachfolgenden Druckvorgang vollumfänglich durchführen zu können.
Vorgesehen ist es auch, dass der Verteilerblock und mindestens eine Druckkopfeinheit, welche einen Druckkopftank und mindestens einen mit dem Druckkopftank verbundenen Druckkopf umfasst, in einer über einem Baufeld des 3D-Druckers verfahrbaren Druckeinheit angeordnet sind.
Ebenfalls vorgesehen ist es, dass der Verteilerblock einen im wesentlichen quaderförmigen Hohlraum aufweist, welcher in einem Querschnitt zumindest teilweise V-förmig ausgeführt ist, dass im Verteilerblock der Ablauf um eine Höhendifferenz beabstandet und höher als der Zulauf angeordnet ist.
Der erfindungsgemäße Verteilerblock ist derart ausgeführt, dass der Ablauf, über welchen das im Hohlraum des Verteilerblocks befindliche Fluid über die Fluidrücklaufleitung in den Vorratstank zurückgeführt wird, oberhalb des Zulaufs, über welchen das Fluid aus dem Vorratstank in den Hohlraum des Verteilerblocks zugeführt wird, im Verteilerblock angeordnet ist. Somit muss der Pegel des im Hohlraum des Verteilerblocks befindlichen Fluids eine Höhe beziehungsweise Höhendifferenz über dem Zulauf erreichen, bevor Fluid über den Ablauf aus dem Verteilerblock abgeleitet wird. Diese Höhendifferenz zwischen dem Ablauf und dem Zulauf beträgt beispielsweise 10 mm bis 80 mm.
Vorgesehen ist es auch, dass im mit Fluid gefülltem Hohlraum des Verteilerblocks ein Überdruck dadurch erzeugt wird, dass der Druck in der Fluidvorlaufleitung höher eingestellt wird als der Druck in der Fluidrücklaufleitung. Hierfür sind entsprechende Sensoren und Mittel zu Druckerzeugung vorgesehen, um diese Druckverhältnisse in den Leitungen überwachen und einstellen zu können. Dieser Überdruck gewährleistet zum einen, dass die Zirkulation des Fluids vom niedrig gelegenen Zulauf zum höher gelegenen Ablauf stattfindet, zum anderen, dass an den weiteren Anschlüssen im unteren Bereich, also im tiefst gelegenen Bereich des Hohlraums des Verteilerblocks, trotz der Zirkulation zwischen Zulauf und Ablauf eine Druckgleichheit herrscht.
Als Mittel zur Druckerzeugung sind in der Fluidvorlaufleitung eine Pumpe und in der Fluidrücklaufleitung ein Regelventil vorgesehen. Beispielsweise durch ein geeignetes Ansteuersignal wird der Betrieb der Pumpe gestartet und das Regelventil zumindest teilweise geöffnet. Dadurch wird Fluid vom Vorratstank durch die Fluidvorlaufleitung zum Verteilerblock gefördert. Erreicht der Füllstand des Fluids im Verteilerblock den höher gelegenen Ablauf des Verteilerblocks, so fließt das Fluid vom Verteilerblock über die Fluidrücklaufleitung sowie das Regelventil zurück zum Vorratstank im Fluidumlauf. Wird nun bei einem von der Pumpe konstant erzeugten Massenstrom des Fluids in der Fluidvorlaufleitung der Querschnitt des Regelventils in der Fluidrücklaufleitung verringert, so steigt der auf das Fluid wirkende Druck im Bereich zwischen der Pumpe und dem Regelventil, wobei auch im Hohlraum des Verteilerblocks ein Überdruck erzeugt wird.
Außerdem ist es vorgesehen, dass der Verteilerblock einen Hohlraum aufweist, welcher neben seiner im Wesentlichen quaderförmigen Ausführung einen zumindest teilweise V-förmigen Querschnitt aufweist, welcher sich nach unten verjüngt. So kann der Hohlraum beispielsweise in einem ersten Teil im Wesentlichen quaderförmig ausgeführt sein, während der Hohlraum in einem zweiten Teil, welcher zusammen mit dem ersten Teil den gesamten Hohlraum ausbildet, einen zumindest teilweise V-förmigen Querschnitt aufweist.
Vorgesehen ist es auch, dass die weiteren Anschlüsse im schmalsten Bereich des zumindest teilweise V-förmigen Querschnitts im Verteilerblock an einem tiefst gelegenen Bereich des Hohlraums angeordnet sind.
Der Zulauf und der Ablauf sind mit einer Höhendifferenz im oberen Bereich des Verteilerblocks angeordnet. Mehrere weitere Ausgänge sind im Verteilerblock in einem am tiefsten gelegenen Bereich im Hohlraum des Verteilerblocks angeordnet. In diesem Bereich weist der V-förmige Querschnitt die geringste Breite auf. In einer Erstreckung dieses tiefst gelegenen Bereiches in einer Längsrichtung des Hohlraums des Verteilerblocks sind zwei oder mehr weitere Anschlüsse entlang einer gedachten horizontalen Linie angeordnet.
Durch die Ausführung des Hohlraums des Verteilerblocks, derart, dass der Hohlraum eine Höhe aufweist, welche etwa zwei Mal bis fünf Mal größer als die Breite des Hohlraums ist, und seiner sich nach unten verjüngenden V-Form, werden gleichmäßige Druckverhältnisse an allen Stellen des tiefst gelegenen Bereiches für die am Verteilerblock angeschlossenen weiteren Ausgänge geschaffen. Somit werden alle an den weiteren Ausgängen angeschlossenen Druckkopftanks gleichmäßig mit Fluid mit einem vergleichbaren Druck versorgt, wodurch die Qualität des Druckbilds der Druckköpfe verbessert wird.
Beispielhafte Abmessungen für den Hohlraum des Verteilerblocks liegen bei einer Länge des Hohlraums von 20 mm bis beispielsweise 220 mm, wobei die Länge abhängig von der Anzahl der weiteren Anschlüsse des Verteilerblocks ist. Die Breite des Hohlraums an der breitesten Stelle liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 40 mm bis 100 mm, während die Breite des Hohlraums an der engsten Stelle im Bereich zwischen etwa 10 mm bis 20 mm liegen kann. Die Höhe des Hohlraums liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 60 mm bis 200 mm. Die Breite der im tiefst gelegenen Bereich des Hohlraums angeordneten vertikalen Kanäle sowie die Durchmesser der Bohrungen für die weiteren Anschlüsse im tiefst gelegenen Bereich des Hohlraums liegen in einem Bereich von etwa 4 mm bis 10 mm.
Vorgesehen ist es außerdem, dass der Verteilerblock in der sich über dem Baufeld bewegenden Druckeinheit in einem geringen Abstand zu den Druckkopftanks der Druckkopfeinheit angeordnet ist. Weiterhin sind die Fluidleitungen von den weiteren Ausgängen des Verteilerblocks zu den einzelnen Druckkopftanks möglichst gleich lang. Diese Ausführungen führen zu vergleichbaren Fluiddrücken in allen angeschlossenen Druckkopftanks und Druckköpfen aller Druckkopfeinheiten und somit zu einem qualitativ hohem Druckbild.
Vorgesehen ist es auch, dass der Vorratstank ein Mittel zur kontrollierten Bewegung des im Vorratstank enthaltenen Fluids wie beispielsweise einen Rotor aufweist. Durch diese kontrollierte Bewegung des Fluids im Vorratstank können sich keine Ausflockungen oder Agglomerate ausbilden. Ein derartiger Vorratstank kann ein Fassungsvermögen zwischen 10 und 100 Liter aufweisen.
Einem Fachmann ist klar, dass in einem derartigen hier beschriebenen Fluidsystem zum Zuführen eines Fluids zu einem Druckkopf auch eine Anzahl von Ventilen, Drosseln, Sensoren, Filtern und Pumpen notwendig sind, um das Fluid entsprechend zu bewegen und den einzelnen Baugruppen zuzuführen, obwohl derartige Elemente hier nicht vollumfänglich beschrieben werden.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 6 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Vorgesehen ist es, dass das Fluid in einem ersten Schritt aus dem Vorratstank in einen Verteilerblock gefördert wird, wobei zur Erzeugung eines kontinuierlichen Fluidumlaufs zwischen dem Vorratstank und dem Verteilerblock der Verteilerblock mit dem Vorratstank über eine Fluidvorlaufleitung und eine Fluidrücklaufleitung verbunden bereitgestellt wird, dass in einem zweiten Schritt das Fluid über mehrere im Verteilerblock bereitgestellte weitere Anschlüsse aus dem Verteilerblock zu mehreren Druckkopftanks gefördert wird.
Im Unterschied zum Stand der Technik, bei welchem das Fluid aus einem Vorratstank in einen Druckkopftank eines Druckkopfes gefördert wird, wobei der Druckkopftank mit dem Druckkopf zur Zuleitung des Fluids zum Druckkopf über eine Leitung verbunden ist, wird in der vorliegenden Erfindung in einem ersten Schritt das Fluid aus dem Vorratstank in einen Verteilerblock gefördert. Dieser Verteilerblock ist mit dem Vorratstank sowohl über eine Fluidvorlaufleitung als auch über eine Fluidrücklaufleitung verbunden, so dass das Fluid ausgehend vom Vorratstank über den Verteilerblock und zurück zum Vorratstank in einem Fluidumlauf bewegt wird beziehungsweise zirkuliert. Mittels dieser Zirkulation werden Ausflockungen oder Agglomerate sowohl im Verteilerblock als auch in der Fluidvorlaufleitung und in der Fluidrücklaufleitung des Fluidsystems verhindert.
Vorgesehen ist es, dass in einem zweiten Schritt das Fluid aus dem Verteilerblock über mehrere im Verteilerblock bereitgestellte weitere Anschlüsse zu mehreren Druckkopftanks gefördert wird. Derart werden aus einem Verteilerblock mehrere Druckkopftanks, welche jeweils das Fluid mindestens einem Druckkopf mit seinen Dosiereinheiten zuführen, versorgt. Derartige Druckkopftanks können beispielsweise über eine Zuleitung mit einem zugehörigen Druckkopf zur Versorgung dieses Druckkopfes mit dem Fluid verbunden sein. Alternativ können derartige Druckkopftanks beispielsweise mit zwei bis sechs Druckköpfen zur Versorgung des jeweiligen Druckkopfes mit dem Fluid verbunden sein.
Ebenfalls vorgesehen ist es, dass der Verteilerblock mit einem Hohlraum bereitgestellt wird, welcher einen zumindest teilweise V-förmigen Querschnitt aufweist, und dass die weiteren Anschlüsse an einem tiefst gelegenen Bereich des Hohlraums angeordnet bereitgestellt werden, wodurch für alle aus dem Verteilerblock versorgten Druckkopftanks ein gleicher Fluiddruck des den Druckkopftanks zugeführten Fluids erzeugt wird.
Der erfindungsgemäße Verteilerblock weist einen im Wesentlichen quaderförmigen Hohlraum auf, welcher einen zumindest teilweise V-förmigen Querschnitt aufweist. Der Verteilerblock weist bevorzugt in seinem unteren Bereich den V-förmigen Querschnitt auf. In einem am tiefsten im Verteilerblock gelegenen Bereich, in welchem der V-förmige Querschnitt die geringste Breite aufweist, sind in einer Längserstreckung des am tiefsten gelegenen Bereichs vertikale Kanäle und die weiteren Anschlüsse angeordnet, über welche die Druckkopftanks mehrerer Druckkopfeinheiten über ihre jeweilige Fluidleitung versorgt werden. Durch die Gestaltung des Verteilerblocks mit seinem zumindest im unteren Bereich V-förmigen Querschnitt und der Anordnung der weiteren Anschlüsse horizontal und im tiefst gelegenen Bereich des Hohlraums wird an allen weiteren Anschlüssen ein gleicher Fluiddruck zur Versorgung der angeschlossenen Druckkopftanks bereitgestellt. Um die Zufuhr des Fluids zu den weiteren Anschlüssen, welche im tiefst gelegenen Bereich des Hohlraums des Verteilerblocks angeordnet sind, im schmalsten Bereich des V-förmigen Querschnitts des Hohlraums in ausreichender Menge zu gewährleisten, sind die vertikalen Kanäle vorgesehen. Hierbei wird für jeden weiteren Anschluss je ein vertikaler Kanal angeordnet.
Vorgesehen ist es weiterhin, dass innerhalb einer Druckkopfeinheit den Dosiereinheiten jedes Druckkopfes das Fluid aus dem Druckkopftank über je eine Fluidvorlaufleitung zugeführt wird und dass das Fluid in einem Umlauf aus den Dosiereinheiten jedes Druckkopfes über je eine Fluidrücklaufleitung zum Druckkopftank zurückgeführt wird.
Vorgesehen ist es, dass ein Druckkopftank und ein mit dem Druckkopftank verbundener Druckkopf innerhalb einer sogenannten Druckkopfeinheit bereitgestellt werden. Eine derartige Druckkopfeinheit kann auch einen Druckkopftank und mehrere mit diesem verbundene Druckköpfe aufweisen.
Innerhalb derartiger Druckkopfeinheiten ist der Druckkopftank über eine Fluidvorlaufleitung mit einem oder mehreren Druckköpfen zur Zufuhr des Fluid aus dem Druckkopftank zu den Dosiereinheiten eines Druckkopfes oder mehrerer Druckköpfe verbunden. Weiterhin ist der Druckkopftank über eine Fluidrücklaufleitung mit einem oder mehreren Druckköpfen zur Rückfuhr des Fluids aus den Dosiereinheiten eines Druckkopfes oder mehrerer Druckköpfe in den Druckkopftank verbunden. Derart entsteht ein Umlauf ausgehend vom Druckkopftank über die Dosiereinheiten eines Druckkopfes oder mehrerer Druckköpfe und zurück zum Druckkopftank, mit welchem Ausflockungen oder Agglomerate in der Druckkopfeinheit verhindert oder nach deren Bildung wieder aufgelöst werden können.
Durch die verfahrensgemäße Bereitstellung des gleichen Fluiddrucks zur Versorgung der angeschlossenen Druckkopftanks und die artgleiche Versorgung aller Druckköpfe in der Druckeinheit des 3D-Druckers mit einem Umlauf wird ein gleichmäßiges und qualitativ hochwertiges Druckbild bei der Erzeugung der 3D-Struktur im 3D-Drucker erreicht.
Außerdem ist es vorgesehen, dass die Druckkopfeinheiten und der Verteilerblock innerhalb einer über einem Baufeld des 3D-Druckers verfahrbaren Druckeinheit bereitgestellt werden.
In einer über dem Baufeld des 3D-Druckers verfahrbaren Druckeinheit sind der Verteilerblock sowie mehrere Druckkopfeinheiten angeordnet, wobei die Druckkopfeinheiten jeweils einen Druckkopftank und einen oder mehrere von diesem Druckkopftank in einem Umlauf versorgte Druckköpfe aufweisen.
In dieser Druckeinheit ist der Verteilerblock derart angeordnet, dass es möglich ist, die vom Verteilerblock zu den Druckkopftanks führenden Fluidleitungen möglichst gleichlang auszuführen, um gleiche Druckverhältnisse ausgehend vom Verteilerblock über die Druckkopftanks bis hin zu den Druckköpfen zu gewährleisten, um ein fehlerfreies und präzises Druckbild mit den Druckköpfen der Druckeinheit zu erreichen.
Weiterhin wird der Verteilerblock derart angeordnet, dass es möglich ist, die vom Verteilerblock zu den Druckkopftanks führenden Fluidleitungen mit einem möglichst geringen beziehungsweise gleichmäßigen Radius zu verlegen. Dies erfolgt ebenfalls dafür, dass gleiche Druckverhältnisse in den Baugruppen gewährleistet bleiben.
Vorgesehen ist es auch, dass der Verteilerblock in der Druckeinheit kontinuierlich oder nur zu bestimmten Zeitabschnitten mit Fluid aus dem Vorratstank versorgt wird, wobei die bestimmten Zeitabschnitte Zeiten sind, in denen kein Druckvorgang durch die Druckköpfe des 3D-Druckers erfolgt.
Weiterhin vorgesehen ist es, dass in der Fluidvorlaufleitung eine einen Massenstrom des Fluids für den Fluidumlauf erzeugende Pumpe und in der Fluidrücklaufleitung ein den durch die Pumpe erzeugten Massenstrom des Fluids im Fluidumlauf drosselndes Regelventil angeordnet ist. Durch eine einstellbare Drosselung des Massenstroms des Fluids wird im Bereich zwischen der Pumpe und dem Regelventil ein Überdruck erzeugt und eingestellt, wobei gleichzeitig auch im Hohlraum des Verteilerblocks ein Überdruck erzeugt wird.
Derart ist es durch eine definierte Ansteuerung der Pumpe sowie des Regelventils in einer ersten Variante möglich, den Verteilerblock nur in bestimmten Zeitabschnitten aus dem Vorratstank mit Fluid zu versorgen. Beispielsweise in Zeitabschnitten zwischen zwei Druckvorgängen beziehungsweise Druckjobs im 3D-Drucker wird der Verteilerblock mit Fluid aus dem Vorratstank derart aufgefüllt, dass genügend Fluid im Verteilerblock enthalten ist, um den nachfolgenden Druckvorgang beziehungsweise Druckjob vollumfänglich durchführen zu können.
Derart ist es weiterhin durch eine definierte Ansteuerung der Pumpe sowie des Regelventils in einer zweiten Variante möglich, den Druck im Bereich zwischen der Pumpe und dem Regelventil und somit auch im Verteilerblock gezielt einzustellen.
Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, welche zeigen:

1: einen Druckkopf mit mehreren Dosiereinheiten nach dem Stand der Technik,
2: ein Fluidsystem nach dem Stand der Technik,
3: eine Anordnung mehrerer Druckköpfe in einer Druckkopfeinheit nach dem Stand der Technik,
4: ein erfindungsgemäßes Fluidsystem und
5a, 5b, 5c den erfindungsgemäßen Verteilerblock in drei Ansichten.

Die 1 zeigt einen Druckkopf 1 mit mehreren Dosiereinheiten 2 in einem 3D-Drucker nach dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung an einem Beispiel mit drei Dosiereinheiten 2 in einem Druckkopf 1. Eine Anordnung derartiger Dosiereinheiten 2 kann in einem Druckkopf 2 beispielsweise in Form einer Matrix mit mehreren Zeilen und mehreren Spalten erfolgen.
Jede Dosiereinheit 2 des Druckkopfes 1 weist eine Düse 3 auf, welche in einer Richtung eines Baufelds 4 ausgerichtet ist. Die Dosiereinheiten 2 sind zumindest teilweise beispielsweise durch entsprechende Kammerwände voneinander getrennt, ohne die Zufuhr des Fluids 7 zu beeinträchtigen. Auf diesem Baufeld 4 wird ein in der 1 nicht explizit dargestelltes partikelförmiges Baumaterial zum schichtweisen Aufbau einer 3D-Struktur aufgetragen, geglättet und verfestigt. Hierfür kommen nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren zum Auftragen, Glätten und Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials zum Einsatz.
Der dargestellte Druckkopf 1 weist einen Zuleitungskanal 5 und einen Ableitungskanal 6 auf. Das Fluid 7 wie ein Bindemittel wird dem Druckkopf 1 über den Zuleitungskanal 5 zugeführt und über den Ableitungskanal 6 wieder aus dem Druckkopf 1 abgeleitet. Somit wird der Druckkopf 1 und auch dessen Dosiereinheiten 2 vom Fluid 7 durchströmt. Dieser Umlauf 8 des Fluids 7 durch den Druckkopf 1 ist mittels mehrerer kleiner Pfeile dargestellt. Auch wenn in der 1 beispielhaft ein Druckkopf 1 mit einem Umlauf 8 dargestellt ist, ist es in der vorliegenden Erfindung möglich, Druckköpfe ohne einen Umlauf 8, also nur mit einer Zuleitung zum Zuführen des Fluids 7, einzusetzen, was in der 1 nicht dargestellt ist.
Die zwei großen Pfeile über dem Zuleitungskanal 5 und über dem Ableitungskanal 6 in der 1 geben die Fließrichtung des Fluids 7 im Umlauf 8 an. Das sich in den Dosiereinheiten 2 des Druckkopfs 1 befindliche Fluid 7 wird durch einen Unterdruck am Austreten durch die Düse 3 gehindert.
Zur Dosierung des Fluids 7 über die Düsen 3 der Dosiereinheiten 2 auf das auf dem Baufeld 4 befindliche partikelförmige Baumaterial ist in jeder Dosiereinheit 2 ein Mittel 9 zur Erzeugung einer mechanischen Kraft angeordnet. Dieses Mittel 9 zur Erzeugung einer mechanischen Kraft erzeugt eine mechanische Kraft wie eine Druckwelle, welche sich ausgehend vom Mittel 9 selbst durch das in der zugehörigen Dosiereinheit 2 befindliche Fluid 7 in Richtung der zugehörigen Düse 3 ausbreitet und derart für eine Dosierung eines Tropfens 10 über die entsprechende Düse 3 sorgt. Ein derartiges Mittel 9 kann beispielsweise ein nach dem Piezoeffekt arbeitendes Piezo-Element sein.
Der Tropfen 10 erreicht die Oberfläche des auf dem Baufeld 4 befindlichen partikelförmigen Baumaterials und bewirkt eine selektive Verfestigung des Baumaterials an der Stelle des Auftreffens, wobei ein Teilbereich der zu erzeugenden 3D-Struktur entsteht.
Der dargestellte Druckkopf 1 mit seinen in Kammern unterteilten Dosiereinheiten 2 wird in üblicher Weise über das Baufeld 4 bewegt. Derart wird eine Dosierung des Fluids 7 genau an den Stellen vorgenommen, welche zur Ausbildung einer 3D-Struktur beziehungsweise eines 3D-Bauteils notwendig sind.
Im Beispiel der 1 ist weiterhin ein Filterelement 11 im Zuleitungskanal 5 und ein Filterelement 11 im Ableitungskanal 6 vorgesehen. Alternativ kann auch nur ein Filterelement 11 im Zuleitungskanal 5 oder ein Filterelement 11 im Ableitungskanal 6 vorgesehen werden. Diese Filterelemente 11 dienen zum Schutz vor Verstopfungen beziehungsweise Verunreinigungen. Derart kann beispielsweise ein Verstopfen der Düse 3 verhindert werden.
Dieser aus dem Stand der Technik bekannte Druckkopf 1 ermöglicht es, dass das Fluid 7 in den Dosiereinheiten 2 des Druckkopfes 1 in Bewegung gehalten wird und den Druckkopf 1 im Umlauf 8 durchströmt. Derart werden Feuchtigkeitsverluste, eine Veränderung der Viskosität des Fluids 7, Oxidationserscheinungen sowie eine Verengung der Düse 3 durch Eintrocknungen und somit Fehler bei der Dosierung und Fehler im Druckbild verhindert.
Die 2 zeigt ein Fluidsystem 12' nach dem Stand der Technik. Das Fluidsystem 12' dient zum Zuführen eines Fluids 7 wie einem Bindemittel zu einem Druckkopf 1 in einem in der 2 nicht dargestellten 3D-Drucker. In einer Druckkopfeinheit 13 ist ein Druckkopftank 14 und mindestens ein mehrere Dosiereinheiten 2 aufweisender Druckkopf 1 angeordnet. Der Druckkopf 1 ist mit dem Druckkopftank 14 beispielsweise über einen Zuleitungskanal 5 zum Zuführen des Fluids 7 wie einem Bindemittel aus dem Druckkopftank 14 zu den Dosiereinheiten 2 des Druckkopfs 1 und einen Ableitungskanal 6 zum Ableiten des Fluids 7 aus den Dosiereinheiten 2 des Druckkopfes 1 in den Druckkopftank 14 verbunden. Durch entsprechende nicht dargestellte Mittel wie beispielsweise Pumpen wird das Fluid 7 vom Druckkopftank 14 zum Druckkopf 1 und wieder zurück in einem Umlauf 8 bewegt.
Der Druckkopftank 14 ist über eine Fluidleitung 15 mit einem Vorratstank 16, welcher zur Bevorratung des Fluids 7 dient, verbunden. Somit kann das Fluid 7 aus dem Vorratstank 16 über die Fluidleitung 15 zum Druckkopftank 14 der in der 2 dargestellten Druckkopfeinheit 13 geleitet werden. Üblicherweise sind an einem derartigen Vorratstank 16 weitere Druckkopftanks 14 weiterer Druckkopfeinheiten 13 über weitere Fluidleitungen 15 angeschlossen, was in der 2 mit drei weiteren Fluidleitungen 15 dargestellt ist.
Die 3 zeigt eine Anordnung mehrerer Druckköpfe 1 in einer Druckkopfeinheit 13 nach dem Stand der Technik. Bei einer derartigen Anordnung mehrerer Druckköpfe 1 mit ihren jeweils mehreren Dosiereinheiten 2 in einer Druckkopfeinheit 13 werden aus einem Druckkopftank 14 alle angeschlossenen Druckköpfe 1 mit ihren Dosiereinheiten 2 parallel versorgt. Hierbei wird das Fluid 7 durch alle Druckköpfe 1 mittels des Zuleitungskanals 5 und des Ableitungskanals 6 in je einem Umlauf 8 bewegt. In der beispielhaft in der 3 dargestellten Druckkopfeinheit 13 sind drei Druckköpfe 1 angeordnet und mit dem zugehörigen Druckkopftank 14 verbunden. Eine am Druckkopftank 14 angeordnete Fluidleitung 15 zur Zufuhr des Fluids 7 ist in der 3 nicht dargestellt.
Die 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Fluidsystem 12. In einer Druckkopfeinheit 13 des erfindungsgemäßen Fluidsystems 12 ist ein Druckkopftank 14 und mindestens ein mehrere Dosiereinheiten 2 aufweisender Druckkopf 1 angeordnet. Der Druckkopf 1 ist mit dem Druckkopftank 14 über einen Zuleitungskanal 5 zum Zuführen des Fluids 7 wie einem Bindemittel aus dem Druckkopftank 14 zu den Dosiereinheiten 2 des Druckkopfs 1 und einen Ableitungskanal 6 zum Ableiten des Fluids 7 aus den Dosiereinheiten 2 des Druckkopfes 1 in den Druckkopftank 14 verbunden. Durch entsprechende nicht dargestellte Mittel wie beispielsweise Pumpen wird das Fluid vom Druckkopftank 14 zum Druckkopf 1 und wieder zurück in einem Umlauf 8 bewegt. Eine Anordnung mehrerer Druckköpfe 2 in einer Druckkopfeinheit 13 ist ebenfalls möglich, in der 4 aber nicht dargestellt.
Erfindungsgemäß vorgesehen ist es, dass zwischen dem Vorratstank 16 und dem Druckkopftank 14 ein Verteilerblock 17 angeordnet ist. Der Verteilerblock 17 weist einen Zulauf 18 auf, welcher über eine Fluidvorlaufleitung 19 mit dem Vorratstank 16 verbunden ist, und einen Ablauf 20, welcher über eine Fluidrücklaufleitung 21 mit dem Vorratstank 16 verbunden ist. Der Verteilerblock 17 weist mindestens zwei weitere Anschlüsse 22 auf, welche über je eine Fluidleitung 15 mit je einem Druckkopftank 14 in zugehörigen Druckkopfeinheiten 13 verbunden sind. Im Beispiel der 4 weist der Verteilerblock 17 vier weitere Anschlüsse 22 auf. Die Verbindung eines weiteren Anschlusses 22 mit einem zugehörigen Druckkopftank 14 über die entsprechende Fluidleitung 15 ist in der 4 dargestellt. Weitere Verbindungen sind durch mehrere an den weiteren Anschlüssen 22 dargestellte und nur teilweise gezeigte Fluidleitungen 15 gezeigt.
Der Verteilerblock 17 ist mit dem Vorratstank 16 zur Zufuhr des Fluids 7 aus dem Vorratstank 16 über die Fluidvorlaufleitung 19 verbunden. Um Ausflockungen oder Agglomerate zu verhindern, ist es vorgesehen, dass der Verteilerblock 17 auch über die Fluidrücklaufleitung 21 mit dem Vorratstank 16 verbunden ist. Durch Mittel zur Förderung des Fluids 7, wie beispielsweise einer in der Fluidvorlaufleitung 19 angeordneten Pumpe 23, wird das Fluid 7 aus dem Vorratstank 16 über einen Zulauf 18 in den Verteilerblock 17 gefördert. Außerdem wird das Fluid 7, beispielsweise mit einer weiteren nicht dargestellten Pumpe, aus dem Verteilerblock 17 über einen Ablauf 20 in den Vorratstank 16 zurückgefördert, also in einem Fluidkreislauf bewegt. Durch eine derartige permanente Zirkulation des Fluids 7 können sich keine Ausflockungen oder Agglomerate ausbilden oder gebildete Ausflockungen oder Agglomerate werden wieder aufgelöst.
In der Fluidvorlaufleitung 19 ist eine einen Massenstrom des Fluids 7 für den Fluidumlauf erzeugende Pumpe 23 und in der Fluidrücklaufleitung 21 ein den durch die Pumpe 23 erzeugten Massenstrom des Fluids 7 im Fluidumlauf drosselndes Regelventil 34 angeordnet. Durch die einstellbare Drosselung des Massenstroms des Fluids 7 wird im Bereich zwischen der Pumpe 23 und dem Regelventil 34 ein Druck beziehungsweise ein Überdruck eingestellt, wobei gleichzeitig auch im Hohlraum 26 des Verteilerblocks 17 ein Überdruck erzeugt wird.
Der Verteilerblock 17 und mindestens eine Druckkopfeinheit 13, welche einen Druckkopftank 14 und mindestens einen mit dem Druckkopftank 14 verbundenen Druckkopf 1 umfasst, wird in einer über einem nicht dargestellten Baufeld des 3D-Druckers verfahrbaren Druckeinheit 24 angeordnet. In der 4 sind beispielhaft drei Druckkopfeinheiten 13 in der Druckeinheit 24 angeordnet.
Vorgesehen ist es auch, dass der Vorratstank 16 ein Mittel 25 zur kontrollierten Bewegung des im Vorratstank 16 enthaltenen Fluids 7 wie beispielsweise einen Rotor aufweist. Durch diese kontrollierte Bewegung des Fluids 7 im Vorratstank 16 können sich keine Ausflockungen oder Agglomerate ausbilden.
Die 5a, 5b und 5c zeigen den erfindungsgemäßen Verteilerblock 17 in drei Ansichten. In der 5a ist der erfindungsgemäße Verteilerblock 17 in einer perspektivischen Außenansicht dargestellt. Die 5b zeigt den Verteilerblock 17 von Innen in einem Längsschnitt. In der 5c ist der Verteilerblock 17 in einem Querschnitt dargestellt.
In der 5a ist der Verteilerblock 17 beispielhaft mit sechs weiteren Anschlüssen 22 dargestellt, an welchen die zum jeweiligen Druckkopftank 14 führenden Fluidleitungen 15 angeschlossen werden. Die Anzahl der vorgesehenen weiteren Ausgänge 22 stimmt mit der Anzahl der angeschlossenen beziehungsweise mit Fluid 7 aus dem Verteilerblock 17 zu versorgenden, nicht dargestellten Druckkopftanks 14 überein. Der Zulauf 18 sowie der Ablauf 20 befinden sich in der 5a auf der abgewandten Seite des Verteilerblocks 17 und sind somit nicht zu erkennen.
In der Längsschnittdarstellung der 5b ist der im Wesentlichen quaderförmig ausgebildete Hohlraum 26 des Verteilerblocks 17 zu erkennen. Im rechten oberen Bereich des Hohlraums 26 ist der Zulauf 18 zu erkennen, über welchen das Fluid 7 aus dem Vorratstank 16 und über die Fluidvorlaufleitung 19 in den Hohlraum 26 des Verteilerblocks 17 gelangt. Der Vorratstank 16 und die Fluidvorlaufleitung 19 sind in der 5b nicht gezeigt.
Im linken oberen Bereich des Hohlraums 26 ist der Ablauf 20 zu erkennen, über welchen das Fluid 7 aus dem Hohlraum 26 des Verteilerblocks 17 über die Fluidrücklaufleitung 21 zum Vorratstank 16 gelangt. Der Vorratstank 16 und die Fluidrücklaufleitung 21 sind in der 5b nicht gezeigt.
Der erfindungsgemäße Verteilerblock 17 ist derart ausgeführt, dass der Ablauf 20 oberhalb des Zulaufs 18 im Hohlraum 26 angeordnet ist. Somit muss der Pegel des im Hohlraum 26 des Verteilerblocks 17 befindlichen Fluids 7 eine Höhe beziehungsweise Höhendifferenz 28 über dem Zulauf 18 erreichen, bevor Fluid 7 über den Ablauf 20 aus dem Hohlraum 26 des Verteilerblocks 17 abgeleitet wird. Diese Höhendifferenz 28 zwischen dem Ablauf 20 und dem Zulauf 18 beträgt beispielsweise 10 mm bis 80 mm.
Außerdem ist es vorgesehen, dass der Verteilerblock 17 einen Hohlraum 26 aufweist, welcher einen zumindest teilweise V-förmigen Querschnitt 29 aufweist, welcher sich nach unten verjüngt. Im Beispiel ist der Hohlraum 26 im oberen Teil im Wesentlichen quaderförmig und im unteren Teil zumindest teilweise mit einem V-förmigen Querschnitt 29 ausgebildet.
Im unteren Bereich des Hohlraums 26 des Verteilerblocks 17 befindet sich mindestens ein am tiefsten gelegener Bereich 27. In diesem Bereich 27 weist der V-förmige Querschnitt 29 die geringste Breite auf.
In einer Erstreckung dieses tiefst gelegenen Bereiches 27 in einer Längsrichtung des Verteilerblocks 17 beziehungsweise des Hohlraums 26 sind zwei oder mehr weitere Anschlüsse 22 entlang einer gedachten horizontalen Linie angeordnet. Das Beispiel der 5b zeigt sechs derartig horizontal angeordnete weitere Anschlüsse 22.
Durch die Ausführung des Hohlraums 26 des Verteilerblocks 17, derart, dass der Hohlraum 26 eine Höhe 30 aufweist, welche etwa zwei Mal bis fünf Mal größer als die Breite 31 des Hohlraums 26 ist, und seiner sich nach unten verjüngenden V-Form 29, werden gleichmäßige Druckverhältnisse in Form eines gleichmäßigen Überdrucks, an allen Stellen des tiefsten Bereiches 26 für die am Verteilerblock 17 angeschlossenen weiteren Ausgänge 22 geschaffen. Somit werden alle an den weiteren Ausgängen 22 angeschlossenen in der 5a, 5b, 5c nicht gezeigten Druckkopftanks 14 gleichmäßig mit Fluid 7 mit einem vergleichbaren Druck versorgt, wodurch die Qualität des Druckbilds der ebenfalls nicht dargestellten Druckköpfe 1 verbessert wird. Der Hohlraum 26 des Verteilerblocks 17 weist auch eine Länge 32 auf, welche in der 5b gezeigt ist. In der Ausführung des Hohlraums in der 5b sind im untersten Bereich des V-förmigen Querschnitts 29, wo dessen Breite am geringsten ist, kurze vertikale Kanäle 33 vorgesehen, um die Zufuhr des Fluids 7 zu den weiteren Anschlüssen in ausreichender Menge zu gewährleisten.
Verfahrensgemäß vorgesehen ist es, dass das Fluid 7 in einem ersten Schritt aus dem Vorratstank 16 in den Verteilerblock 17 gefördert wird, wobei zur Erzeugung eines kontinuierlichen Fluidumlaufs zwischen dem Vorratstank 16 und dem Verteilerblock 17 der Verteilerblock 17 mit dem Vorratstank 16 über die Fluidvorlaufleitung 19 und die Fluidrücklaufleitung 21 verbunden bereitgestellt wird. In einem zweiten Schritt wird das im Verteilerblock 17 mit einem Druck beaufschlagte Fluid 7 über mehrere im tiefst gelegenen Bereich 27 des Verteilerblocks 17 bereitgestellte weitere Anschlüsse 22 aus dem Verteilerblock 17 über jeweilige Fluidleitungen 15 zu mehreren Druckkopftanks 14 gefördert.
Da der Verteilerblock 17 mit dem Vorratstank 16 sowohl über eine Fluidvorlaufleitung 19 als auch über eine Fluidrücklaufleitung 21 verbunden ist, über welche dass das Fluid 7 ausgehend vom Vorratstank 16 über den Verteilerblock 17 und zurück zum Vorratstank 16 in einem Fluidumlauf bewegt wird beziehungsweise zirkuliert, werden Ausflockungen oder Agglomerate sowohl im Verteilerblock als auch in Leitungen 19 und 21 des Fluidsystems 12 verhindert.
Vorgesehen ist es, dass im mit Fluid 7 gefülltem Hohlraum 26 des Verteilerblocks 17 ein Überdruck dadurch erzeugt wird, dass der Druck in der Fluidvorlaufleitung 19 höher eingestellt wird als der Druck in der Fluidrücklaufleitung 21. Hierfür sind entsprechende Sensoren und Mittel zu Druckerzeugung vorgesehen, um diese Druckverhältnisse des Fluids 7 in den Leitungen überwachen und einstellen zu können.
Vorgesehen ist es, dass das Fluid 7 aus dem Verteilerblock 17 zu mehreren Druckkopftanks 14 im zweiten Schritt mit gleichem Fluiddruck in allen angeschlossenen Fluidleitungen 15 zu den Druckkopftanks 14 gefördert wird.
Weiterhin vorgesehen ist es, dass die Fluidvorlaufleitung 19 und die Fluidrücklaufleitung 21 zwischen dem Vorratstank 16 und dem Verteilerblock 17 eine Schnittstelle 23 aufweisen, durch welche es möglich wird, den Fluidumlauf zwischen dem Vorratstank 16 und dem Verteilerblock 17 temporär zu unterbrechen, ohne dass Fluid 7 aus dem System beziehungsweise den Leitungen 19 und 21 austritt.
Somit kann der Verteilerblock 17 permanent aus dem Vorratstank 16 mit Fluid 7 versorgt werden, wenn die Schnittstelle 23 geschlossen ist oder nur in bestimmten Zeitabschnitten, wenn die Schnittstelle 23 nicht geöffnet ist.
Die bestimmten Zeitabschnitte sind beispielsweise Zeiten zwischen zwei Druckvorgängen beziehungsweise Druckjobs im 3D-Drucker. In diesen Zeiten wird der Verteilerblock 17 über die geschlossene Schnittstelle 23 derart mit Fluid aus dem Vorratstank 16 aufgefüllt, dass genügend Fluid 7 im Verteilerblock 17 enthalten ist, um den nachfolgenden Druckvorgang mit geöffneter Schnittstelle 23 vollumfänglich durchführen zu können.
Liste der Bezugszeichen

1: Druckkopf
2: Dosiereinheit
3: Düse
4: Baufeld
5: Zuleitungskanal
6: Ableitungskanal
7: Fluid
8: Umlauf
9: Mittel zur Erzeugung einer Kraft
10: Tropfen
11: Filterelement
12, 12': Fluidsystem
13: Druckkopfeinheit
14: Druckkopftank
15: Fluidleitung
16: Vorratstank
17: Verteilerblock
18: Zulauf
19: Fluidvorlaufleitung
20: Ablauf
21: Fluidrücklaufleitung
22: weitere Anschlüsse
23: Pumpe
24: Druckeinheit
25: Mittel zur kontrollierten Bewegung
26: Hohlraum
27: tiefst gelegener Bereich
28: Höhendifferenz
29: V-förmiger Querschnitt
30: Höhe
31: Breite
32: Länge
33: Kanal
34: Regelventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3177453 B1 [0012]
EP 3600843 B1 [0015]
DE 102019008328 A1 [0023]

Claims

Fluidsystem (12) zum Zuführen eines Fluids (7) zu einem Druckkopf (1) in einem 3D-Drucker, wobei der Druckkopf (1) mehrere Dosiereinheiten (2) aufweist und mit einem Druckkopftank (14) verbunden ist und wobei der Druckkopftank (14) über eine Fluidleitung (15) zumindest mittelbar mit einem Vorratstank (16) zur Bevorratung des Fluids (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Vorratstank (16) und dem Druckkopftank (14) ein Verteilerblock (17) angeordnet ist, dass der Verteilerblock (17) einen Zulauf (18), welcher über eine Fluidvorlaufleitung (19) mit dem Vorratstank (16) verbunden ist, und einen Ablauf (20), welcher über eine Fluidrücklaufleitung (21) mit dem Vorratstank (16) verbunden ist, aufweist und dass der Verteilerblock (17) mindestens zwei weitere Anschlüsse (22) aufweist, welche über je eine Fluidleitung (15) mit je einem Druckkopftank (14) verbunden sind.
Fluidsystem (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerblock (17) und mindestens eine Druckkopfeinheit (13), welche einen Druckkopftank (14) und mindestens einen mit dem Druckkopftank (14) verbundenen Druckkopf (1) umfasst, in einer über einem Baufeld des 3D-Druckers verfahrbaren Druckeinheit (24) angeordnet sind.
Fluidsystem (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerblock (17) einen Hohlraum (26) aufweist, welcher mit einem zumindest teilweise V-förmigen Querschnitt (29) ausgeführt ist, dass im Verteilerblock (17) der Ablauf (20) um eine Höhendifferenz (28) beabstandet und höher als der Zulauf (18) angeordnet ist.
Fluidsystem (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Anschlüsse (22) im schmalsten Bereich des zumindest teilweise V-förmign Querschnitts (29) im Verteilerblock (17) an einem tiefst gelegenen Bereich (27) des Hohlraums (26) angeordnet sind.
Fluidsystem (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Druckkopfeinheit (13) jeder Druckkopf (1) über einen Zuleitungskanal (5) und einen Ableitungskanal (6) mit dem zugehörigen Druckkopftank (14) verbunden angeordnet ist.
Verfahren zum Zuführen eines Fluids (7) zu einem Druckkopf (1) in einem 3D-Drucker, bei welchem ein Fluid (7) aus einem Vorratstank (16) zumindest mittelbar in mindestens einen Druckkopftank (14) des Druckkopfes (1) gefördert wird, wobei der Druckkopftank (14) mit einem Druckkopf (1) zur Zuleitung des Fluids (7) zum Druckkopf (1) verbunden bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (7) in einem ersten Schritt aus dem Vorratstank (16) in einen Verteilerblock (17) gefördert wird, wobei zur Erzeugung eines kontinuierlichen Fluidumlaufs zwischen dem Vorratstank (16) und dem Verteilerblock (17) der Verteilerblock (17) mit dem Vorratstank (16) über eine Fluidvorlaufleitung (19) und eine Fluidrücklaufleitung (21) verbunden bereitgestellt wird, dass in einem zweiten Schritt das Fluid (7) über mehrere im Verteilerblock (17) bereitgestellte weitere Anschlüsse (22) aus dem Verteilerblock (17) zu mehreren Druckkopftanks (14) gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerblock (17) mit einem Hohlraum (26) bereitgestellt wird, welcher einen zumindest teilweise V-förmigen Querschnitt aufweist und dass die weiteren Anschlüsse (22) an einem tiefst gelegenen Bereich (27) des Hohlraums (26) angeordnet bereitgestellt werden, wodurch für alle aus dem Verteilerblock (17) über zugehörige Fluidleitungen (15) versorgten Druckkopftanks (14) ein gleicher Fluiddruck des den Druckkopftanks (14) zugeführten Fluids (7) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Druckkopfeinheit (13) den Dosiereinheiten (2) jedes Druckkopfes (1) das Fluid (7) aus dem Druckkopftank (14) über je einen Zuleitungskanal (5) zugeführt wird und dass das Fluid (7) in einem Umlauf aus den Dosiereinheiten (2) jedes Druckkopfes (1) über je einen Ableitungskanal (6) zum Druckkopftank (14) zurückgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkopfeinheit (13) und der Verteilerblock (17) innerhalb einer über einem Baufeld des 3D-Druckers verfahrbaren Druckeinheit (24) bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierliche Fluidumlauf, zwischen dem Vorratstank (16) und dem Verteilerblock (17) mittels einer in der Fluidvorlaufleitung (19) oder der Fluidrücklaufleitung (21) bereitgestellten Pumpe (23) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fluidvorlaufleitung (19) eine einen Massenstrom des Fluids (7) für den Fluidumlauf erzeugende Pumpe (23) und in der Fluidrücklaufleitung (21) ein den durch die Pumpe (23) erzeugten Massenstrom des Fluids (7) im Fluidumlauf drosselndes Regelventil (34) bereitgestellt wird, wobei durch eine einstellbare Drosselung des Massenstroms des Fluids (7) durch das Regelventil (34) im Bereich zwischen der Pumpe (23) und dem Regelventil (34) ein Überdruck erzeugt wird, wobei gleichzeitig auch im Hohlraum (26) des Verteilerblocks (17) ein Überdruck erzeugt wird.