(57)【要約】  ３Ｄプリンタ（１）のためのプリントヘッド（１０）であって、粘性が可変である原材料（２０）のための供給部（１２）を備えた引き込みゾーン（１１）と、ヒータ（１５）を備えた可塑化ゾーン（１４）と、原材料（２０）の液相（２２）のための吐出孔（１６）と、前記原材料（２０）を前記引き込みゾーン（１１）から前記可塑化ゾーン（１４）内に送るための送り装置（３０）とを有しており、この場合、前記送り装置（３０）が、前記引き込みゾーン（１１）内に導入可能なピストン（３１）を有している。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３Ｄプリンタ（１）のためのプリントヘッド（１０）であって、粘性が可変である原材料（２０）のための供給部（１２）を備えた引き込みゾーン（１１）と、ヒータ（１５）を備えた可塑化ゾーン（１４）と、原材料（２０）の液相（２２）のための吐出孔（１６）と、前記原材料（２０）を前記引き込みゾーン（１１）から前記可塑化ゾーン（１４）内に送るための送り装置（３０）とを有する形式のものにおいて、
前記送り装置（３０）が、前記引き込みゾーン（１１）内に導入可能なピストン（３１）を有していることを特徴とする、３Ｄプリンタ（１）のためのプリントヘッド（１０）。
【請求項２】
供給部（１２）が、粒状物質（２１）として提供された原材料（２０）のために設けられていることを特徴とする、請求項１記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項３】
前記原材料（２０）の前記液相（２２）が前記吐出孔（１６）から吐出されるときでも、前記引き込みゾーン（１１）の温度ＴＳを、前記原材料（２０）が可塑化し始める温度ＴＰを下回る温度に保つための手段（１３）が設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項４】
前記引き込みゾーン（１１）の冷却部（１３）が設けられていることを特徴とする、請求項３記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項５】
前記ピストン（３１）のための駆動源（３２）が、前記原材料（２０）内で１０００ｂａｒまたはそれ以上、好適には１５００ｂａｒまたはそれ以上の圧力ｐを発生させるために構成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項６】
前記ピストン（３１）のための前記駆動源（３２）が、前記原材料（２０）内に、３５０ｂａｒ乃至７５０ｂａｒの圧力ｐを発生させるために構成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項７】
前記ピストン（３１）のための前記駆動源（３２）が、機械的な伝動装置（３２ｂ）を有する電動機（３２ａ）または液圧式の圧力源（３２ｃ）であることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項８】
前記ピストン（３１）の位置ｓのためのストローク測定システム（３３）、および／または前記ピストン（３１）によって前記粒状物質（２１）に加えられた力Ｆのためのもしくは前記ピストン（３１）に加えられた液圧ｐＨのためのセンサ（３４）が設けられていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項９】
前記ピストン（３１）の前記駆動源（３２）のためのアクティブな制御装置（３５）が設けられており、前記制御装置（３５）は、前記ピストン（３１）によって前記粒状物質（２１）に加えられた力Ｆを所定の目標値ＦＳに制御するために構成されていることを特徴とする、請求項８記載のプリントヘッド（１０）または請求項８記載のプリントヘッド（１０）を備えた３Ｄプリンタ（１）。
【請求項１０】
前記吐出孔（１６）の領域（１６ａ）内に圧力ｐＬのための圧力センサ（１７）、および／または原材料（２０）の液相（２２）の温度ＴＬのための温度センサ（１８）が配置されていることを特徴とする、請求項８または９記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項１１】
評価ユニット（４）が設けられており、該評価ユニット（４）が、前記圧力ｐＬおよび／または前記温度ＴＬから、前記吐出孔（１６）による応力除去の際に前記原材料（２０）の前記液相（２２）の体積増大ΔＶ＋を評価するために構成されていることを特徴とする、請求項１０記載のプリントヘッド（１０）または請求項１０記載のプリントヘッド（１０）を備えた３Ｄプリンタ（１）。
【請求項１２】
前記評価ユニット（４）が追加的に、前記温度ＴＬから、前記吐出孔（１６）から出た後で硬化する際の前記原材料（２０）の前記液相（２２）の体積減少ΔＶ−を評価するために構成されていることを特徴とする、請求項１１記載のプリントヘッド（１０）または３Ｄプリンタ（１）。
【請求項１３】
前記評価ユニット（４）が追加的に、前記吐出孔（１６）を通って流出する（２３）前記原材料（２０）の前記液相（２２）を送るエネルギ流Ｅを評価するために構成されていることを特徴とする、請求項１１または１２記載のプリントヘッド（１０）または３Ｄプリンタ（１）。
【請求項１４】
前記評価ユニット（４）が追加的に、前記吐出孔（１６）を通って流出する（２３）前記原材料（２０）の質量流量Ｑを、前記ピストン（３１）の位置ｓを考慮して、および／または前記ピストン（３１）によって加えられる力Ｆから評価するために構成されていることを特徴とする、請求項１３および８記載のプリントヘッド（１０）または３Ｄプリンタ（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原材料の液相を選択的に局所的に引き渡すための３Ｄプリンタのためのプリントヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
粘性が可変である材料のための３Ｄプリンタは、この材料の固相を原材料として受け取り、この固相から液相を生成し、この液相を選択的に、生ぜしめようとする対象物に所属する位置に施す。このような３Ｄプリンタはプリントヘッドを有していて、このプリントヘッド内で原材料がすぐプリントできる状態に調整される。さらに、対象物を生成しようとする作業面とプリントヘッドとの間の相対運動を生ぜしめるための手段が設けられている。この場合、プリントヘッドだけ、作業面だけ、またはプリントヘッドも作業面も移動させることができる。
【０００３】
プリントヘッドは、液状の材料がプリントヘッドから流れ出る第１の運転状態と、液状の材料がプリントヘッドから流れ出ない第２の運転状態とを有している。第２の運転状態は、例えば別の位置が作業面にぶつかり、この位置の途中で材料が堆積されるべきでないときに占められる。例えば、固体の原材料の送りがスイッチオンまたはスイッチオフされることによって、プリントヘッドの２つの運転状態間の切換えが行われる。
【０００４】
最も普及しているのは、原材料から成るフィラメントが電気的に加熱された押出しノズルで溶解されてプラットフォームに層状に施される“ｆｕｓｅｄ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｍｏｄｅｌｉｎｇ（ＦＤＭ）”「熱溶解積層方式」である。このような形式のフィラメントの形の原材料は非常に高価である。特許文献１には、粒状物質の形の原材料を供給し、加熱しようとするゾーンにスクリューコンベヤで送り、このゾーンから可塑化された形で吐出することが提案される。一方では粒状物質は非常に好都合であり、他方では様々な熱可塑性材料から成る混合物がこのような形式で簡単に製作され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】アメリカ合衆国特許公告第２０１６／０８２６２７号明細書
【発明の概要】
【０００６】
本発明の枠内で、３Ｄプリンタのためのプリントヘッドが開発された。このプリントヘッドは、粘性が可変である原材料のための供給部を備えた引き込みゾーンと、ヒータを備えた可塑化ゾーンと、原材料の液相のための吐出孔と、粒状物質を引き込みゾーンから可塑化ゾーン内へ送るための送り装置とを有する。
【０００７】
この場合、特に粒状物質として存在する原材料のための供給部が設けられていてよい。原材料は、特に熱可塑性材料であってよい。
【０００８】
本発明によれば、送り装置は引き込みゾーン内に導入可能なピストンを有している。
【０００９】
これによって、熱可塑性材料より成るフィラメントを使用するプリントヘッドに対しても、またスクリューコンベヤを有するプリントヘッドに対してもそれぞれ固有の利点が得られることが確認された。これらの利点は特に、粒状物質として設けられた原材料と組み合わせて効果を発揮する。
【００１０】
粒状物質が同じ材料より成るフィラメントよりもファクター５〜１００だけ有利であることは度外視しても、プリントされた対象物の品質は、フィラメントの直径が規格に正確に適合しているかどうかに依存する。この直径は、フィラメントの弾性特性およびフィラメントに加えられる送り力と協働して、材料の液相を最終的にプリントヘッドの吐出孔から吐出させる圧力を規定する。さらに、直径の変動は、フィラメントがプリントヘッド内で締め付けられるかまたは送り機構がフィラメントをもはや把持できなくなる結果を招き、それによってプリント作業は中止される。
【００１１】
さらに、プリント作業を１つの位置で中断して、プリントヘッドの手順に従って別の位置で再び開始したい場合、プリントヘッドからの原材料の吐出は常にいまからすぐに停止可能ではない。時折、不都合な“Ａｎｇｅｌ  Ｈａｉｒｓ（エンジェルヘアー）”と呼ばれる糸状のものが引き出される。その原因は、フィラメントのための送り機構の停止が、原材料の液相を負荷して原材料を吐出孔から送り出す圧力を、必ずしも完全に除去しないからである。先行する送りによって、フィラメントは圧縮応力にさらされているので、送りの停止後でもまずさらに溶解物を押圧する。これに対して、本発明に従って設けられたピストンは引き戻されるので、圧力を完全に除去するだけはなく、プリントヘッド内に、液状の材料のさらなる吐出を阻止する負圧を生ぜしめる。
【００１２】
しかも、ピストンを有する送り装置の設計上の構成は、スクリューコンベヤを有する従来の構成に対して、吐出孔を閉鎖する追加的な弁の組み込みが簡単である。
【００１３】
つまり、粒状物質としての原材料は、フィラメントの形よりも著しく多くの種類のものを自由に使用可能である。フィラメントの製造は、加工に費用がかかり、原材料の品質を損ない、しかもすべての材料のために可能ではない。結局のところ、この加工は殆ど利用することもできない。何故ならば、原材料が溶解されると直ちに、加工は終わるからである。従って、このような加工ははじめから省いて、粒状物質を原材料として使用することが合理的である。
【００１４】
粒状物質をスクリューコンベヤで送るプリントヘッドと比較して、本発明によるプリントヘッドはよりコンパクトに構成することができる。これは、プリントヘッドがより容易にかつ簡単に移動可能であるという結果ももたらす。これは特に、プリントヘッドが非常に高速、特に１００ｍｍ／ｓまたはそれ以上の速度で移動させられるべき場合に有利である。
【００１５】
さらに、予想外なことに、ピストンによる原材料の送りは、スクリューコンベヤによる送りよりも、材料の品質をより良く保つことが分かった。
【００１６】
一方では、材料がその溶解温度を上回っている間の時間長さは著しく短縮され得るので、材料が熱的に退化する程度は小さい。高すぎる熱負荷によって発生する分解生成物はまず第１にガスであり、ガスは、システム内を支配する圧力によって材料のさらなる分解を促進し、材料の品質にも直接的に影響を及ぼす。これは、例えば押し出される体積の変動として現れるか、または押し出される材料の変色、表面の焼けもしくは発泡によっても現れる。さらに、システム内に薄膜が形成され、この薄膜は剥がれてシステムを詰まらせるかまたはルーズな粒子として製造しようとする対象物内に達する。さらに、ガス状の分解生成物の圧力によって、意図せずに材料が押し出されることもある。吐出孔が弁によって閉鎖されていれば、ここで過圧が形成されプリントヘッドが爆発することさえあり得る。吐出孔が固体の分解生成物によって閉鎖されると、やはり、プリントヘッド内の圧力が上昇し、この圧力は、熱い材料の爆発的な押出しで放圧することがある。後加熱に基づいて、これは、プリントヘッドを加熱するためのエネルギ供給が安全システムによって既に遮断された場合でも生じ得る。
【００１７】
他方では、材料のポリマー鎖を分割するせん断力が材料に加えられることもない。ポリマー鎖が長ければ長いほど、例えば引張負荷、圧縮負荷、および曲げ負荷に対する、最終的に得られる対象物の機械的な強度はより大きくなる。化学的媒体に対する対象物の耐性も、ポリマー鎖が長ければ長いほど、より良好である。
【００１８】
さらに、任意の小さい体積を可塑化することができ、これに対してスクリューコンベヤによる送りでは常に材料の所定の最小量しか可塑化できない。スクリューコンベヤは、スクリューコンベヤの機能のために必ず必要とされるせん断力を形成するために、このような最小量が必要となる。
【００１９】
ピストンが粒状物質を押圧すると、粒状物質は圧縮され、可塑化ゾーンへ送られる。この場合、粒状物質のばら荷内に含まれる周囲空気を導出する必要がある。これは、一方では、ギャップによって行われ、このギャップでピストンはプリントヘッド内でガイドされている。このギャップの寸法は厳密ではない。ギャップは、単に粒状物質の粒子がギャップ内に侵入せず、かつそこで傾かない程度に狭ければ十分である。他方では、選択的にまたは組み合わせて別の箇所に単数または複数のエア抜き孔を設けてもよい。
【００２０】
ギャップの寸法が厳密ではないということは、引き込みゾーンと可塑化ゾーンとの分離次第である。ピストンが直接に原材料の液相内に侵入するような場合、シールは非常に複雑になる。
【００２１】
ピストンが圧力負荷軽減されると、このために数１／１０ｍｍだけ予め後退すれば十分であるが、吐出孔からの原材料の吐出は直接的に停止される。ピストンが追加的に粒状物質のための供給部の後ろに戻されると、新たな粒状物質が供給部から後漏れする可能性のあるスペースが開かれる。これによって、吐出孔からの材料の吐出と粒状物質の後補充とが周期的に切換えられる。従って、スクリューコンベヤによる送りとは異なり、材料を吐出孔から連続的に吐出させることはできない。発明者は、このような見せかけの欠点を前記利点が過剰に補償することを確認した。ピストンを戻して新たに圧力を上昇させることによる、材料吐出の中断は、完成された対象物において欠陥箇所として、または強度不足もしくは品質欠陥として表れない程度に短い。第２のプリントヘッドによって、この短時間の中断も切り抜けることができる。
【００２２】
本発明の特に好適な実施態様によれば、原材料の液相が吐出孔から吐出するときでも、引き込みゾーンの温度ＴＳを、原材料の可塑化が開始される温度ＴＰの下に維持するための手段が設けられている。これは、ピストンがもっぱら原材料の固相とだけ接触し、可塑化された相とは接触しないということと同じ意味である。可塑化された相は、高い表面接着性傾向を有する粘性のべたつく材質を有している。ピストンがこのような相と接触すると、ピストンはこの相と接着し、それによって例えばピストンが戻る際に新たな粒状物質が後漏れすることは阻止される。引き込みゾーン内の温度ＴＳをＴＰの下に維持するために、特に引き込みゾーンの冷却部が設けられていてよい。このような冷却部も、原材料の加熱だけに依存する従来技術と比較して、反直感的である。選択的にまたはアクティブな冷却部と組み合わせて、引き込みゾーン内の温度ＴＳは、例えば可塑化ゾーンに対する熱的な絶縁部によって、および／または引き込みゾーンと可塑化ゾーンの間隔を保つことによって、コントロールされ得る。
【００２３】
本発明の特に好適な実施態様によれば、ピストンのための駆動源が、原材料内で１０００ｂａｒまたはそれ以上、好適には１５００ｂａｒまたはそれ以上の圧力ｐを発生させるために構成されている。このような形式で、粘性の高い原材料の液相が著しく小さい吐出孔を通って押し出され、それによって、精緻にプリントされた構造の解像度が著しく改善され得る。
【００２４】
選択的に、ピストンのための駆動源は、原材料内に３５０ｂａｒ乃至７５０ｂａｒの圧力ｐを発生させるために構成されているのが好ましい。この圧力範囲内で、十分に大きいクラスのプラスチックを原材料として、器具に関する比較的ほど良い費用で加工することができる。
【００２５】
原材料としてフィラメントを使用する３Ｄプリンタにおいては、液状の材料をプリントヘッドの吐出孔から吐出させる圧力は、フィラメントの送りによって生ぜしめられる。従って、得られる最大圧力は原理的に比較的僅かである。この圧力は６０〜７０ｂａｒの大きさである。より高い圧力では、溶解された材料が後ろに向かってフィラメントに沿って逆流し、それによってプリントヘッドから間違った位置に吐出される。従って、実際の商業的な基準では、ノズル直径およびひいては横方向の構造解像度は、概ね０．４ｍｍ以上が使用され得る。今日では研究の対象は、この限界を０．２ｍｍの値またはそれより小さく改善することである。多くのプラスチックは、まったく加工できないかまたは不利なノズル直径でしか加工できない。何故ならば、多くのプラスチックは液状の状態でも、使用できる圧力のためには粘性が大きすぎるからである。プリントされた構造の精度は同じ程度である。
【００２６】
これに対して、ピストンの使用を前提とすることによって著しく高い圧力を使用できるので、０．１ｍｍのノズル直径が使用可能であり、概ね±５０μｍまでの構造を精確にプリントすることができる。さらに、原則的にすべての熱可塑性材料、並びに所定の熱硬化性樹脂およびエラストマーも使用できる。低融点はんだ、例えばすずまたは同じ形式の充てん材を有する材料も使用できる。場合によっては、このような材料を使用する場合、様々なノズル直径が必要となる。プリントヘッドはすべてのノズル直径で機能する。何故ならば、ピストンによる原材料の送りは任意に拡大縮小可能だからである。拡大縮小は、具体的な材料に合わせるだけでよい。
【００２７】
ピストンのための駆動源は、例えば機械的なスピンドルによる機械的な伝動装置を有する、例えば電動機であってよい。このような伝動装置においては、力およびひいては圧力増大がストローク延長を伴うので、加圧が相応により長く持続され、プリントヘッドがより低い力密度によって、より重くなる。選択的に、駆動源は液圧式の圧力源であり、ここでは特にサーボ制御液圧式の圧力源であってよい。ここでは、伝動は作用面の面比を介して行われる。
【００２８】
本発明の別の特に好適な実施態様によれば、ピストンの位置ｓのためのストローク測定システム、および／またはピストンによって粒状物質に加えられた力Ｆのためのもしくはピストンに加えられた液圧ｐＨのためのセンサが設けられている。ピストンの送りは、吐出孔から吐出する原材料の量Ｑのための大きさである。この量は、ストローク測定システムを介して制御可能である。さらに、力Ｆは、原材料の圧力と直接関係している。
【００２９】
本発明の別の特に好適な実施形態によれば、プリントヘッド内におよび／またはプリントヘッドを含有する３Ｄプリンタ内に、ピストンの駆動源のためのアクティブな制御装置が設けられており、この制御装置は、ピストンによって粒状物質に加えられた力Ｆを所定の目標値ＦＳに制御するために構成されている。これによって、原材料内の圧力は所定の値に保たれる。特にこのような形式で、周囲空気が粒状物質のばら荷から漏れ出してそれによりばら荷が圧縮されると、自動的に補正され得る。ピストンの送りは、特にプロセス制御によって、ストロークおよび力に依存してμｍ範囲内で制御され得る。
【００３０】
本発明の別の特に好適な実施態様によれば、吐出孔の領域内に圧力ｐＬのための圧力センサ、および／または原材料の液相の温度ＴＬのための温度センサが配置されている。圧力ｐＬは、吐出孔から吐出される原材料の質量流量Ｑについて決定する一次パラメータである。温度ＴＬの追加的な測定により、質量流量Ｑの決定時に、原材料の粘性の温度依存性も考慮することができる。ピストン送りによって、調量しようとする量Ｑを精確に制御することができる。製造された対象物の品質のために、特に一定かつ正確な制御の形での温度ＴＬの制御が、原材料の熱的な劣化を避けるために、さらに重要である。その限りにおいて、プリントヘッドの好適な変化例では、例えば圧力センサが省略されてよい。
【００３１】
本発明の別の特に好適な実施態様によれば、評価ユニットが設けられており、この評価ユニットは、圧力ｐＬおよび／または温度ＴＬから、吐出孔による応力除去の際に原材料の液相の体積増大ΔＶ＋を評価するために構成されている。発明者は、製造しようとする対象物に施された構造の精度のために、精密に吐出孔から出ていく材料が重要なのではないことが分かった。むしろ、重要なのは製造しようとする対象物である。本発明は、従来技術により可能であるよりも著しく高い圧力で、原材料を小さい吐出孔を通って押しやることができるので、この高い圧力の応力除去による体積増大ΔＶ＋は、実際に製造された構造の大きさのために重要な作用をもたらす。例えば、評価ユニットの指示に従ってピストン送りを、体積増大ΔＶ＋に対応する値だけ低下させることができる。このような形式で、例えば製作しようとする対象物に、１００μｍ±５μｍの直径を有する、原材料のストランドが堆積される。
【００３２】
本発明の別の好適な実施態様によれば、評価ユニットが追加的に、温度ＴＬから、吐出孔から出た後で硬化する際の原材料の液相の体積減少ΔＶ−を評価するために構成されている。これにより、例えば対象物に、最初は１０５μｍの直径を有し、硬化すると所望の１００μｍの直径に精確に収縮する原材料のストランドが堆積され得る。
【００３３】
本発明の別の特に好適な実施態様によれば、評価ユニットが追加的に、吐出孔を通って流出する原材料の液相を送るエネルギ流Ｅを評価するために構成されている。このような形式で、製作しようとする対象物内の熱収支が全体的に監視されるので、プリントヘッドの別の圧力方策および軌道運動が適合され得る。例えば、伸長した対象物の製作時に、プリント作業を１つの位置で中断し、プリントヘッドを別の位置に移動させた後でプリント作業を続けることが必要である。エネルギ流Ｅが評価されると、例えばプリント作業が継続されるべき位置が熱効果に基づいて移動し、相応に対応する必要があることが分かる。この場合、特に、熱伝導および／または熱放射による対象物からのエネルギ放出も考慮され得る。
【００３４】
本発明の別の特に好適な実施態様によれば、評価ユニットが追加的に、吐出孔を通って流出する原材料の質量流量Ｑを、ピストンの位置ｓを考慮して、および／またはピストンによって加えられる力Ｆから評価するために構成されている。このような形式で、調量の精度、特に対象物に作成される構造の大きさの精度がさらに改善され得る。
【００３５】
センサによって測定されたまたは評価ユニットによって評価された量が、最終的に、製作しようとする対象物の構造を正確に作成して堆積するようにするために、この量は特にアクティブなプロセス制御でフィードバックされてよい。
【００３６】
プリントヘッドにおける材料の能力付与および特徴付けによって、場合によっては、高い精度を有する構造を、純粋に制御された、つまりアクティブなフィードバックなしで製作することも可能にするパラメータセットが提供され得る。
【００３７】
記載された幾何学形状、温度およびその他の値は、任意に様々な材料または材料群に拡大縮小可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明によるプリントヘッド１０の実施例を示す図である。
【図２】プリント状態にあるプリントヘッド１０の断面図である。
【図３】プリントしていない状態にあるプリントヘッド１０の断面図である。
【図４】プリントヘッド１０を有する３Ｄプリンタのための実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明を改良したその他の手段を、以下に本発明の好適な実施例の説明と共に図面を用いて詳しく説明する。
【００４０】
図１は、プリントヘッド１０の１実施例の斜視的な外側図を示す。原材料２０の粒状物質２１のための漏斗状の供給部１２を有するプリントヘッド１０のハウジング１９は、上方に向かって中間部材３８に移行している。この中間部材３８はシリンダ３７を有しており、このシリンダ３７内でピストン３１がガイドされている。ピストン３１は、図１で選択された斜視図ではシリンダ３７によって隠されており、従って略示されているだけである。ピストン３１の運動は電動機３２ａを介して駆動され、電動機３２ａの回転運動は機械的なスピンドル３２ｂによって直線運動に置き換えられている。ピストン３１と駆動源３２は協働で、粒状物質２１を送るための送り装置３０を形成する。
【００４１】
ピストン３１のストロークｓは、ストローク測定システム３３で測定される。ピストン３１が粒状物質２１を押す力Ｆは、フォースセンサ３４で測定される。力Ｆおよびストロークｓは、アクティブな制御装置３５に供給され、さらにこの制御装置３５は、力Ｆのための目標値ＦＳを入力として受信し、電動機３２ａを、実際の力Ｆが目標値ＦＳと一致するように制御する。この場合、ストロークｓの測定によって、ピストン３１が原材料２０の完全に固体の粒状物質２１とだけ接触すべきであり、ピストン３１を固着させる、少なくとも部分的に可塑化された相とは接触すべきでない、という限界条件の順守が保証される。
【００４２】
供給部１２に面した上部領域で、ハウジング１９は冷却材１３により形成されていて、この冷却材１３は、冷却媒体を備えたアクティブな冷却部１３ａと冷却リブを備えたパッシブな冷却部１３ｂとを有している。これに対して、吐出孔１６に面した下部領域で、ハウジング１６はその外周範囲が加熱バンド１５によって取り囲まれており、この加熱バンド１５は原材料２０の可塑化のための加熱エネルギを供給する。
【００４３】
図２は、作業サイクルの、プリントが行われる部分内におけるプリントヘッド１０の内部を示す。プリントヘッド１０のハウジング１９内に引き込みゾーン１１が設けられており、この引き込みゾーン１１内に、漏斗状の供給部１２を介して原材料２０の粒状物質２１が供給可能である。ピストン３１は粒状物質２１を引き込みゾーン１１から可塑化ゾーン１４内に供給する。この可塑化ゾーン１４は、ここで材料２０の回分式の測り分けが行われるので、調量ゾーンとも呼ばれる。引き込みゾーン１１は、圧縮ゾーン１１ａを介して可塑化ゾーン１４に隣接している。圧縮ゾーン１１ａ内に、強く圧縮されているがまだ硬く粘着性のない粒状物質２１と、液化が始まっている材料２０との間の境界層１１ｂが存在する。図２に示された位置で、ピストン３１の前端部がこの境界層１１ｂ内に正確に存在する。
【００４４】
ハウジング１９の内室は、ハウジング１９の上部領域で境界層１１ｂを含んで境界層１１ｂまで真っすぐな円筒形として構成されており、この円筒形内でピストン３１がガイド可能である。さらに下方で、内室は溶解構造部５１へ移行する。溶解構造部５１は、内側横断面が下方に向かって次第に先細りしているので液相２２の圧力が次第に高くなるという点で優れている。他方では、溶解構造部５１の内壁は微細構造化部を有しており、この微細構造化部は原材料２０の液相２２の混合を生ぜしめる。この微細構造化部は、図２に例として示されているように、例えばリブ状であってよい。可塑化ゾーン１４で、ハウジング１９の外周範囲に加熱バンド１５が配置されており、この加熱バンド１５のヒータ出力は、ハウジング１９の内室内つまり液相２２内に配置された熱伝導構造部５２（熱伝導トーピド）によって、液相２２に亘って均一に分配される。図１および図２に例として示された加熱バンド１５の代わりに、その他のすべての加熱形式も可能である。吐出孔１６のすぐ隣に位置する、可塑化ゾーン１４の前方領域１６ａで、液相２２の圧力ｐＬが圧力センサ１７によって測定され、液相２２の温度ＴＬが温度センサ１８によって測定される。領域１６ａの大きさは数立方ミリメートルだけであるので、余剰の材料２０が溶解されることはない。熱伝導構造部５２は、過熱することなしに、材料２０の液相２２が領域２６ａ内で常に最大可能な粘性を有するように配慮する。
【００４５】
ｐＬおよびＴＬのための測定値は評価ユニット４に伝送され、この評価ユニット４は追加的に、可塑化ゾーン１４の上限に直接配置された別の温度センサ５３の温度値Ｔ＊を入力として受信する。
【００４６】
原材料２０の液相２２から、ピストン３１によって生ぜしめられた圧力ｐＬによってストランド２３がプリントヘッド１０の吐出孔１６を通って押し出され、完成しようとする対象物６に堆積される。評価ユニット４は、一方では高い圧力ｐＬの応力除去によってストランド２３の体積がどの程度ΔＶ＋増大し、他方ではこの体積が高い温度ＴＬの冷却によってどの程度ΔＶ−減少するかを算出する。同時に、堆積された材料２３による対象物６へのエネルギ入力Ｅも算出される。
【００４７】
ピストン３１は、僅かな通気ギャップ５４を有するハウジング１９内でガイドされている。このギャップ５４を通して、粒状物質２１のばら荷内に含まれた、ばら荷の圧縮時に解放される周囲空気が導出され得る。同じ経路で、原材料２０の可塑化または部分的な分解の際に発生するガスも導出され得る。
【００４８】
既に図１で略示したように、ハウジング１９は、境界層１１ｂと供給部１２との間で冷却材１３によって冷却されており、この冷却材１３は、流れる冷却媒体を有するアクティブな冷却部１３ａと、冷却リブによるパッシブな冷却部１３ｂとから形成されている。これによって、温度ＴＳは、上方から下方に向かって連続的に増大する引き込みゾーン１１内で、原材料２０が可塑化し始める温度ＴＰを常に下回って維持される。この温度ＴＰは、ちょうど境界層１１ｂの下端部で得られる。引き込みゾーン１１が永久的に適切な温度に温度調節されることによって、粒状物質２１の早すぎる溶解、引き込みゾーン１１の詰まり、および結露による水の侵入は避けられる。この温度調節は、境界層１１ｂの正確な位置も調整し、特に境界層１１ｂを一定の位置に保つことができる。
【００４９】
ピストン３１はピストンロッド３６を介して駆動源３２によって駆動される。ピストンロッド３６は中間部材３８の内側でシリンダ３７内でガイドされていて、一方、中間部材３８は保持部３９内で保持される。
【００５０】
プリントヘッド１０の縦軸線１０ａに亘る冷（−）〜暖（＋）への温度変化は、プリントヘッド１０の右隣に定性的に記載されている。
【００５１】
図３は、図２と同じ方向で見た同じプリントヘッド１０を示しているが、図２とは異なり、ピストン３１が上方に向かって引き込みゾーン１１の後ろに戻されている。これは一方では、図３に示された状態では原材料２０のストランド２３が吐出孔１６から出ないという効果を有している。他方では、引き込みゾーン１１は、新たな粒状物質２１の後漏れのために空いている。ピストン３１が再び下降すると、新たな粒状物質２１は、図２に示されているように圧縮され、ストランド２３として吐出孔１６から吐出される前に、可塑化ゾーン１４内で可塑化される。
【００５２】
プリントヘッド１０は、任意の３Ｄプリンタ１に組み込まれてよい。図４は、プリントヘッド１０を有する１例としての３Ｄプリンタ１を示す。プリントヘッド１０は、それぞれ矢印で示された方向で６つの軸線７ａ〜７ｆを中心にして可動である工業ロボット７によって動かされる。対象物６は面６１上に構築される。
【００５３】
工業ロボット７によって、プリントヘッド１０は、大きい作動範囲を有するだけではなく、特に任意の角度から出発して原材料２０をその液相２２で、製作しようとする対象物６に堆積することもできる。図３に示された例で、例えば概ね記入されたポイント１０２ａで追加的な材料を対象物１０２に堆積したい場合、塗布は図３に示された角度から出発した方が垂直上方へ塗布するよりも好適である。何故ならば、ポイント６ａはオーバーハングに存在しているからである。
【００５４】
これに関連して、粒状物質２１としての原材料２０をピストン３１により送ることは、多くの従来の３Ｄプリンタにおいて実施されている固体のフィラメントとして送るよりも好適である。特に、プリントヘッド１０内での圧力形成は位置に依存することはなく、粒状物質２１より成るばら荷は、繰り出されるフィラメントよりも取り扱いが簡単である。
【符号の説明】
【００５５】
１  ３Ｄプリンタ
４  評価ユニット
６  対象物
６ａ  ポイント
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ  軸線
１０  プリントヘッド
１０ａ  縦軸線
１１  引き込みゾーン
１１ａ  圧縮ゾーン
１１ｂ  境界層
１２  供給部
１３  手段、冷却部、冷却材
１３ａ  冷却媒体を備えたアクティブな冷却部
１３ｂ  冷却リブを備えたパッシブな冷却部
１４  可塑化ゾーン
１５  ヒータ、加熱バンド
１６  吐出孔
１６ａ  前方領域
１７  圧力センサ
１８  温度センサ
１９  ハウジング
２０  原材料
２１  粒状物質
２２  液相
２３  ストランド
３０  送り装置
３１  ピストン
３２  駆動源
３２ａ  電動機
３２ｂ  伝動装置、スピンドル
３２ｃ  圧力源
３３  ストローク測定システム
３４  センサ、フォースセンサ
３５  制御装置
３６  ピストンロッド
３７  シリンダ
３８  中間部材
３９  保持部
５１  溶解構造部
５２  熱伝導構造部、熱伝導トーピド
５３  別の温度センサ
５４  通気ギャップ
６１  面
Ｅ  エネルギ流、エネルギ入力
Ｆ  力
ＦＳ  目標値
Ｑ  質量流量
ｐＬ  液相２２の圧力
ｓ  位置、ストローク
ＴＬ  液相２２の温度
ＴＰ  可塑化し始める温度
Ｔ＊  温度値
ΔＶ＋  体積増大
ΔＶ−  体積減少
【図１】
2019533593.tif 000003
【図２】
2019533593.tif 000004
【図３】
2019533593.tif 000005
【図４】
2019533593.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】令和1年6月18日(2019.6.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３Ｄプリンタ（１）のためのプリントヘッド（１０）であって、粘性が可変である原材料（２０）のための供給部（１２）を備えた引き込みゾーン（１１）と、ヒータ（１５）を備えた可塑化ゾーン（１４）と、前記原材料（２０）の液相（２２）のための吐出孔（１６）と、前記原材料（２０）を前記引き込みゾーン（１１）から前記可塑化ゾーン（１４）内に送るための送り装置（３０）とを有する形式のものにおいて、
前記送り装置（３０）が、前記引き込みゾーン（１１）内に導入可能なピストン（３１）を有していることを特徴とする、３Ｄプリンタ（１）のためのプリントヘッド（１０）。
【請求項２】
供給部（１２）が、粒状物質（２１）として提供された前記原材料（２０）のために設けられていることを特徴とする、請求項１記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項３】
前記原材料（２０）の前記液相（２２）が前記吐出孔（１６）から吐出されるときでも、前記引き込みゾーン（１１）の温度ＴＳを、前記原材料（２０）が可塑化し始める温度ＴＰを下回る温度に保つための手段（１３）が設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項４】
前記引き込みゾーン（１１）の冷却部（１３）が設けられていることを特徴とする、請求項３記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項５】
前記ピストン（３１）のための駆動源（３２）が、前記原材料（２０）内で１０００ｂａｒまたはそれ以上、好適には１５００ｂａｒまたはそれ以上の圧力ｐを発生させるために構成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項６】
前記ピストン（３１）のための駆動源（３２）が、前記原材料（２０）内に、３５０ｂａｒ乃至７５０ｂａｒの圧力ｐを発生させるために構成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項７】
前記ピストン（３１）のための駆動源（３２）が、機械的な伝動装置（３２ｂ）を有する電動機（３２ａ）または液圧式の圧力源（３２ｃ）であることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項８】
前記ピストン（３１）の位置ｓのためのストローク測定システム（３３）、および／または前記ピストン（３１）によって前記粒状物質（２１）に加えられた力Ｆのためのもしくは前記ピストン（３１）に加えられた液圧ｐＨのためのセンサ（３４）が設けられていることを特徴とする、請求項２記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項９】
前記ピストン（３１）の駆動源（３２）のためのアクティブな制御装置（３５）が設けられており、前記制御装置（３５）は、前記ピストン（３１）によって前記粒状物質（２１）に加えられた力Ｆを所定の目標値ＦＳに制御するために構成されていることを特徴とする、請求項８記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項１０】
前記吐出孔（１６）の領域（１６ａ）内に圧力ｐＬのための圧力センサ（１７）、および／または前記原材料（２０）の液相（２２）の温度ＴＬのための温度センサ（１８）が配置されていることを特徴とする、請求項８または９記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項１１】
評価ユニット（４）が設けられており、該評価ユニット（４）が、前記圧力ｐＬおよび／または前記温度ＴＬから、前記吐出孔（１６）による応力除去の際に前記原材料（２０）の前記液相（２２）の体積増大ΔＶ＋を評価するために構成されていることを特徴とする、請求項１０記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項１２】
前記評価ユニット（４）が追加的に、前記温度ＴＬから、前記吐出孔（１６）から出た後で硬化する際の前記原材料（２０）の前記液相（２２）の体積減少ΔＶ−を評価するために構成されていることを特徴とする、請求項１１記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項１３】
前記評価ユニット（４）が追加的に、前記吐出孔（１６）を通って流出する（２３）前記原材料（２０）の前記液相（２２）を送るエネルギ流Ｅを評価するために構成されていることを特徴とする、請求項１１または１２記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項１４】
前記評価ユニット（４）が追加的に、前記吐出孔（１６）を通って流出する（２３）前記原材料（２０）の質量流量Ｑを、前記ピストン（３１）の位置ｓを考慮して、および／または前記ピストン（３１）によって加えられる力Ｆから評価するために構成されていることを特徴とする、請求項１１から１３のいずれか１項記載のプリントヘッド（１０）。
【請求項１５】
請求項８から１４のいずれか１項記載のプリントヘッド（１０）を備える３Ｄプリンタ（１）。
【国際調査報告】
2019533593.tif 000007
2019533593.tif 000008
2019533593.tif 000009
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