特表 2024-513323 ３Ｄプリンタのための印刷ヘッド、および印刷ヘッドを充填する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-25

(54)【発明の名称】３Ｄプリンタのための印刷ヘッド、および印刷ヘッドを充填する方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/209 20170101AFI20240315BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240315BHJP

   B29C 64/321 20170101ALI20240315BHJP

   B29C 64/295 20170101ALI20240315BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240315BHJP

【ＦＩ】

B29C64/209

B33Y30/00

B29C64/321

B29C64/295

B33Y10/00

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023555684

(86)(22)【出願日】2022-03-11

(85)【翻訳文提出日】2023-11-03

(86)【国際出願番号】 EP2022056307

(87)【国際公開番号】W WO2022194693

(87)【国際公開日】2022-09-22

(31)【優先権主張番号】102021202625.7

(32)【優先日】2021-03-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】591245473

【氏名又は名称】ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100177839

【弁理士】

【氏名又は名称】大場 玲児

(74)【代理人】

【識別番号】100172340

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 始

(74)【代理人】

【識別番号】100182626

【弁理士】

【氏名又は名称】八島 剛

(72)【発明者】

【氏名】シュナイダー，ティーロ

(72)【発明者】

【氏名】ヤーンル，ヘンドリック

【テーマコード（参考）】

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F213AC01

4F213WA25

4F213WB01

4F213WF01

4F213WF23

4F213WL02

4F213WL15

4F213WL32

4F213WL74

4F213WL96

(57)【要約】

本発明は、３Ｄプリンタのための印刷ヘッド（１００）に関し、印刷ヘッド（１００）のハウジング（１）に配置された、ピストン（３）を制御するためのアクチュエータ装置（１１０）と、印刷可能な材料（１０）のための供給デバイス（２）と、ハウジング（１）および供給デバイス（２）に配置された、冷却装置（５０）を有するフランジ（５）と、固相（１０）から液相（１２）へと材料を転換させるための加熱部材（６１，６３）を有するノズルヘッド（６）と、材料（１０）の液相（１２）をノズルヘッド（６）から吐出するためのノズル（８）とを含む。本発明によると、材料の固相（１０）は顆粒粒子（１０）を含み、供給デバイス（２）は顆粒粒子（１０）を互いに剥離するための吹込装置（２５）を有する。さらに本発明は、印刷ヘッド（１００）を充填する方法（２１０）に関し、印刷ヘッド（１００）の加熱可能な中空室（４０）が供給デバイス（２）によって印刷可能な材料（１０）で充填される。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

３Ｄプリンタのための印刷ヘッド（１００）であって、
前記印刷ヘッド（１００）のハウジング（１）に配置された、ピストン（３）を制御するためのアクチュエータ装置（１１０）と、印刷可能な材料（１０）のための供給デバイス（２）と、前記ハウジング（１）および前記供給デバイス（２）に配置された、冷却装置（５０）を有するフランジ（５）と、固相（１０）から液相（１２）へと前記材料を転換させるための加熱部材（６１，６３）を有するノズルヘッド（６）と、前記材料（１０）の液相（１２）を前記ノズルヘッド（６）から吐出するためのノズル（８）とを含む、印刷ヘッドにおいて、
前記材料の固相（１０）は顆粒粒子（１０）を含み、前記供給デバイス（２）は顆粒粒子（１０）を互いに剥離するための吹込装置（２５）を有することを特徴とする、印刷ヘッド。

【請求項2】

前記吹込装置（２５）は空気圧弁（２２）と空気通路（２０）とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の印刷ヘッド（１００）。

【請求項3】

前記空気通路（２０）は前記供給デバイス（２）のハウジング部分（２７）に配置され、前記供給デバイス（２）の下側領域（２４）で前記フランジ（５）の開口断面（２１）の上方に連通することを特徴とする、請求項２に記載の印刷ヘッド（１００）。

【請求項4】

前記空気通路（２０）は前記空気圧弁（２２）によって空気衝撃（２６）により負荷可能であり、前記空気衝撃（２６）は前記下側領域（２４）で顆粒粒子（１０）に対して、これらが互いに剥離されるように作用することを特徴とする、請求項３に記載の印刷ヘッド（１００）。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載の印刷ヘッド（１００）を充填する方法（２１０）において、
前記印刷ヘッド（１００）の加熱可能な中空室（４０）が前記供給デバイス（２）によって印刷可能な材料（１０）で充填されることを特徴とする、方法。

【請求項6】

前記供給デバイス（２）による印刷可能な材料（１０）での前記中空室（４０）の充填（２１０）は少なくとも次の各ステップを含み、
前記供給デバイス（２）の開口部（２３）を通して前記印刷ヘッド（１００）の中に顆粒粒子（１０）が投入（３１０）され、
顆粒粒子（１０）を互いに剥離するための空気衝撃（２６）が生成（３２０）されることを特徴とする、請求項５に記載の方法（２１０）。

【請求項7】

顆粒粒子（１０）の投入（３１０）は手動式または自動式に行われ、顆粒粒子（１０）は重力の影響によって前記供給デバイス（２）の下側領域（２４）へと滑り込むことを特徴とする、請求項６に記載の方法（２１０）。

【請求項8】

空気衝撃（２６）の生成（３２０）はインターバルをおいて行われ、顆粒粒子（１０）が前記空気衝撃（２６）の領域で投げ上げられて、これが落下するときに、その下に位置する顆粒粒子（１０）に対して衝撃を及ぼして、前記印刷ヘッド（１００）の加熱された前記中空室（４０）の中へ滑落するようにこれに刺激を与えることを特徴とする、請求項７に記載の方法（２１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は３Ｄプリンタのための印刷ヘッドに関し、および、印刷ヘッドを充填する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

粘性に関して可変である材料のための３Ｄプリンタは、出発材料として当該材料の固相を含んでおり、そこから液相を生成し、この液相を、作成されるべき対象物に帰属する個所へと選択的に塗布する。このような３Ｄプリンタは、印刷準備が完了するように出発材料が前処理される印刷ヘッドを含んでいる。さらに、印刷ヘッドと、対象物が生じるべき作業面との間の相対運動を生起するための手段が設けられる。このとき作業面だけが動くことができ、あるいは印刷ヘッドと作業面が両方とも動くことができる。

【0003】

印刷ヘッドは、液体材料がこれから外に出る第１の動作状態と、液体材料がこれから外に出ない第２の動作状態とを有している。第２の動作状態をとるのは、たとえば作業面の別の位置へと移動すべきであり、そこまでの経路で材料が塗布されるべきでない場合である。印刷ヘッドのこれら両方の動作状態の間で、たとえば固体の出発材料の送り出しがオンないしオフされることによって、切換を行うことができる。

【0004】

もっとも広く普及しているのは、出発材料からなるフィラメントが電気加熱式の押出ノズルの中で溶融されて、プラットフォームへ層ごとに塗布される「熱溶解積層法」（ＦＤＭ）である。このような種類のフィラメントの形態では、出発材料が非常に高価になる。

【0005】

特許文献１では、出発材料を顆粒形態で供給し、加熱されたゾーンへとウォームコンベヤで搬送し、そこから出発材料が可塑化された形態で外に出ることが提案されている。一方では、顆粒のほうが明らかに好都合であり、他方では、異なる熱可塑性材料からなる混合物をこのような方式で容易に製作することができる。

【0006】

さらに特許文献２より印刷ヘッドが知られており、この印刷ヘッドの中で、ピストンと加熱された区間とを介して顆粒が可塑化される。ピストンが顆粒に押圧をすると、これが圧縮されて、印刷ヘッドの下側領域にある可塑化ゾーンへと運ばれる。顆粒の供給は漏斗状の入口を介して行われるが、顆粒粒子は漏斗の内部で重力に基づいて滑落することしかできず、その際に詰まって動かなくなることがあり得る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１６／０８２６２７Ａ１号明細書

【特許文献2】ドイツ特許出願公開第１０２０１６２２２３０６Ａ１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の課題は、障害のない充填およびそれによって安定した印刷プロセスを可能にする、３Ｄプリンタのためのコンパクトな印刷ヘッドを提供することにあり、ならびに、印刷ヘッドを充填する方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の枠内では、３Ｄプリンタのための印刷ヘッドが開発されている。さらに、印刷ヘッドを充填する方法が開発されている。

【0010】

３Ｄプリンタのための印刷ヘッドは、印刷ヘッドのハウジングに配置された、ピストンを制御するためのアクチュエータ装置と、印刷可能な材料のための供給デバイスと、ハウジングおよび供給デバイスに配置された、冷却装置を有するフランジと、固相から液相へと材料を転換させるための加熱部材を有するノズルヘッドと、材料の液相をノズルヘッドから吐出するためのノズルとを含む。
本発明によると、材料の固相は顆粒粒子を含み、供給デバイスは顆粒粒子を互いに剥離するための吹込装置を有する。

【0011】

それによって供給デバイスの吹込装置は、顆粒粒子が詰まって動かなくなるのを防止し、それにより供給デバイスの閉塞が防止され、それにより、印刷ヘッドが確実に顆粒で充填されるように作用するという利点がある。さらに、供給デバイスの入口でいっそう小さい直径を適用することができ、それによってコンパクトな印刷ヘッドを具体化できるという利点がある。

【0012】

ピストンを制御するためのアクチュエータ装置は、たとえば機械式の伝達機構を有する電気モータ、または液圧の圧力源を有する液圧式の駆動部であってよい。
アクチュエータ装置としての電気モータは、液圧式の駆動部に比べて低い重量を有し、それによって、プリンタ全体および印刷プロセスの高いダイナミクスのために作用するという利点がある。低い質量しか加速させなくてすむからである。
液圧式の駆動部は、ピストンが制御されたときに高い力を実現するという利点がある。

【0013】

印刷可能な材料のための供給デバイスは、特に、顆粒として存在する材料ないし出発材料のための供給部として意図されていてよい。出発材料は、特に熱可塑性材料であってよい。
出発材料として顆粒を利用することで、熱可塑性材料からなるフィラメントを使用する印刷ヘッドと比べて、特にプリンタの出発材料のコストについて固有の利点が実現されることが見出されている。

【0014】

顆粒がウォームコンベヤで運ばれる印刷ヘッドと比較したとき、本発明による印刷ヘッドはいっそうコンパクトに構成することができる。このことはひいては、印刷ヘッドをいっそう簡易かつ容易に可動であることに帰結する。このことは特に、印刷ヘッドを非常に高速に、特に１００ｍｍ／ｓまたはこれ以上の速度で、動かしたい場合に利点となる。

【0015】

フランジは冷却装置を含み、それにより供給装置の領域で最適化された熱マネジメントが実現され、その結果、材料ないし顆粒のピストンへの粘着が回避されるという利点がある。さらにノズルヘッドは、材料を特に顆粒である固相から、液相へと転換させるための加熱部材を有する。ノズルヘッドにある加熱装置は、溶融されるべき材料への熱出力の的確な注入のために作用するという利点がある。引き続いて液相ないし溶融液を、ピストン運動によってノズルヘッドのノズルを通して吐出可能である。

【0016】

印刷ヘッドは、ピストンを案内するための別個のピストンブッシュを含み、このピストンブッシュは、ピストンがピストンブッシュの中で直接的に案内され、印刷ヘッドのハウジングやシリンダの中で案内されるのではなくなることを可能にする。それにより、生じる可能性のある摩耗がハウジングまたはシリンダの内壁で直接的に生じるのではなく、ピストンブッシュの内部で生じることが実現されるという利点がある。別個の構成部品としてのピストンブッシュは、必要なときに交換可能であるという利点を提供する。さらに、互いに適合化されたピストンとピストンブッシュを、さまざまに異なる直径のもとで、たとえばフランジやノズルヘッドなどでの他の設計上の変更なしに、適用することができるという可能性が与えられる。

【0017】

１つの発展例では、吹込装置は空気圧弁と空気通路とを含む。
空気通路は、１つの発展例では、供給デバイスのハウジング部分に配置され、供給デバイスの下側領域でフランジの開口断面の上方に連通する。

【0018】

本発明の好ましい発展例では、空気通路は空気圧弁によって空気衝撃により負荷可能であり、空気衝撃は下側領域で顆粒粒子に対して、これらが互いに剥離されるように作用する。

【0019】

さらに本発明は、本発明による印刷ヘッドを充填する方法に関し、印刷ヘッドの加熱可能な中空室が、供給デバイスによって印刷可能な材料で充填される。

【0020】

供給デバイスによる印刷可能な材料での中空室の充填は、少なくとも次の各ステップを含む：
－供給デバイスの開口部を通して印刷ヘッドの中に顆粒粒子が投入され、
－顆粒粒子を互いに剥離するための空気衝撃が生成される。

【0021】

１つの発展例では、顆粒粒子の投入は手動式または自動式に行われ、顆粒粒子は重力の影響によって供給デバイスの下側領域へと滑り込む。

【0022】

本方法の好ましい発展例では、空気衝撃の生成がインターバルをおいて行われ、顆粒粒子は空気衝撃の領域で投げ上げられて、再び落下するときに、その下に位置する顆粒粒子に対して衝撃を及ぼして、印刷ヘッドの加熱された中空室の中へ滑落するようにこれに刺激を与えるようになっている。

【0023】

効率的な再充填のプロセスは顆粒への後方吹込を必要とし、それによって顆粒が浮揚する効果が生じ、その結果、顆粒が引き続いて印刷ヘッドの中に滑り込む。投げ上げないし吹き上げは自動式の用途のためには不可欠であり、発生する重力衝撃ないし衝撃によって顆粒が滑落するという利点がある。必要な場合には、詰まって動かなくなった顆粒を空気衝撃によって剥離することもでき、それにより印刷ヘッドの停止時間が回避されるという利点がある。

【0024】

ピストンブッシュの上側の部分領域には、供給装置からピストンブッシュへの材料の供給を可能にする開口部ないし開口断面が配置される。開口部の下側領域には、ピストンブッシュの内面に対して鈍角で形成されるゲートが配置される。このゲートの領域は硬化され、またはその代替として別個に硬化された挿入部品として製作される。ピストンによって開口部が閉止されたとき、材料ないし顆粒がピストンによってゲートのところでせん断され、それにより、強い機械的負荷がピストンブッシュの当該部分に対して作用する。別個のピストンブッシュにより、およびゲートの硬化された領域により、いっそう長い耐用期間と、不具合のある構成部品のいっそう迅速な交換とが実現されるという利点がある。

【0025】

ピストンは、アクチュエータ装置に連結するための第１のピストン部分と、第１のピストン部分に連結するため、およびピストンニードルを収容するためのピストンヘッドとを含む。第１のピストン部分はアルミニウム中空ピストンとして構成されるのが好ましく、それにより第１のピストン部分を通して冷却剤を案内することができ、それによってピストン冷却が実現されるという利点がある。ピストンヘッドはノズルのほうを向く側に下面を有し、ピストンニードルはこの下面の中心から突出する。ピストンヘッドの下側の面から、ピストンニードルの仮想的な面を差し引いたものが、材料に対する圧力を生成するためのピストン面を形成する。ピストンヘッドの下面はピストン冷却によって共に冷却され、それにより、ピストン底面における溶融液ないし可塑材料の粘性を局所的に低減させる。それにより、液状の溶融液が駆動装置の方向に流れ込み得ることが防止され、それにより、ピストンブッシュでピストンが挟まって動かなくなることだけでなく、駆動装置への溶融液の侵入も防止されるという利点がある。さらに、引き戻されるときにピストン底面ないしピストンヘッドの下面から材料がいっそう容易に離れ、その結果、ピストンの始動点ないし初期点に達したとき、残留材料がピストン底面に付着することなしに、固相の材料ないし顆粒の容易な再充填が可能である。
ピストンヘッドの下面に、ないしはピストン底面に、温度センサが取り付けられるのが好ましい。温度センサの配置に基づき、印刷ヘッドのピストン位置依存的な熱マネジメントが可能であり、それにより、溶融液がピストンヘッドの下面と接触することなしに、材料のいっそう迅速な加熱が実現される。それにより、印刷ヘッドの充填プロセスの迅速化を実現できるという利点がある。
ピストンヘッドは円筒状の構成部品として製作され、耐熱性の材料で製造されるのが好ましい。アルミニウムでの第１のピストン部分の製作と、たとえば鋼材でのピストンヘッドの製作とが行われるという組合せは、そのようにしてピストンが、機械的な応力を受け止めるための弾性的な上側領域と、加熱される材料の領域での耐熱性の下側領域とを有するので、好ましいことが判明している。
ピストンニードルは、ピストン位置に応じて、腎形部品のボアに部分的にのみ突入するか、または完全に貫通し、それにより、ピストンニードルが腎形部品の中央のボアの中で案内されるという利点がある。

【0026】

腎形部品は同心的に配置された開口部を有し、これらの開口部は、ピストンブッシュに配置された中空室と、ノズルヘッドの下側部分に配置された溶融液室との間で流体接続部を形成する。

【0027】

中空室はピストンブッシュの内部に配置され、ピストンブッシュの内面と、ピストンニードルの外面と、腎形部品の上面と、ピストンの下面とで外側の面が形成される容積部によって形成される。
中空室の内部でピストンの移動によって、ピストンヘッドの下面ないしピストン面を通じて材料ないし顆粒が圧縮される。材料の圧縮中、印刷ヘッドの熱マネジメントは、中空室の内部で材料の液相ないし溶融液が形成されるのではなく、材料が可塑相として形成されるように調整される。それにより、可塑化した材料がピストンの下面に付着しないことが実現されるという利点がある。ただし圧縮中に、液相ないし溶融液の一部は溶融液室の中で、溶融液室に侵入するピストンニードルにより、同心的に配置された腎形部品の開口部を通して溶融液室から出てピストンブッシュの中空室へ押し込まれる。このとき溶融液の各部分が可塑相の各部分と混合される。このとき溶融液がエネルギーを可塑相へ放出し、それにより、いっそう均一な材料が生成されるという利点がある。このように、腎形部品はミキサないし静的ミキサである。可塑相を液相と混合するために、ピストン運動以外には、その他の可動部品が必要ないという利点があるからである。このように腎形部品の構成は、材料ないし溶融液と可塑化された材料との改善された混合につながるブレンド作用のために作用するという利点がある。
腎形部品は、加熱部材の加熱エネルギーをノズルヘッドから溶融液へもピストンニードルへも案内し、このことは、溶融液が加熱されるときの改善されたエネルギーマネジメントのために作用するという利点がある。

【0028】

腎形部品は、第１の実施形態では別個の構成部品として製作されていてよく、または第２の実施形態では、ピストンブッシュと一体的に構成されていてよい。

【0029】

印刷ヘッドは、ピストンブッシュの上側の部分領域を起点として、腎形部品を経てノズルに至るまでそれぞれ相違する状態ゾーンを有しており、これらの状態ゾーンは材料の凝集状態をその温度Ｔ_Ｓに依存して表す。このとき材料の凝集状態は、各状態ゾーンにわたって固相から可塑相を経て液相へと可変である。

【0030】

印刷ヘッドの状態ゾーンは、材料が固相である低温ゾーンと、材料が可塑相である可塑化ゾーンと、材料がそれぞれ液相である溶融液ゾーンおよびプロセスゾーンと、材料が可塑相と液相である混合ゾーンとを含む。

【0031】

フランジにある冷却装置、およびピストンに統合されているピストン冷却部は、可塑化ゾーンでの材料の可塑相の温度Ｔ_Ｓを、その場合にもガラス転移温度Ｔ_ｇより下方に保つために意図され、このガラス転移温度を超えると材料が可塑化されて、液相へと移行することになる。

【0032】

このことは、ピストン底面が材料の固相とのみ接触し、完全に可塑化した相とは接触しないことと同義である。完全に可塑化した相は、表面接着性への強い傾向を有する、粘性の高い粘着性のコンシステンシーを有する。ピストンがこのような相と接触すると、これと接着する可能性があり、そのために、たとえばピストンが引き戻されたときに新たな顆粒の追加流動が妨げられてしまう。このような効果が回避されるという利点がある。

【0033】

溶融液室の中には、液相の圧力ｐ_Ｌについての圧力センサおよび／または温度Ｔ_Ｌについての温度センサが配置される。圧力ｐ_Ｌの測定は、出口開口部からの溶融液の吐出ないし排出あるいは質量流量に関して決定をする一次パラメータである。温度Ｔ_Ｌの追加の測定は、質量流量Ｑの決定にあたって材料の粘性の温度依存性も考慮に入れることを可能にする。ピストン送りによって、調量されるべき量を正確に制御することができる。製造される構成部品ないし対象物の品質にとって、特に一定で正確な制御の形態での温度Ｔ_Ｌのコントロールは、材料の熱劣化を回避するためにもいっそう重要である。

【0034】

さらに、アクチュエータ装置および／またはピストンには、ピストンの位置ｓについてのストローク測定システム、および／またはピストンから材料に及ぼされる力Ｆについてのセンサ、もしくはピストンに及ぼされる液圧ｐ_Ｈについてのセンサが設けられる。
ピストンの送りは、排出されるべき材料の量を表す目安となる。この量は、特に、ストローク測定システムを通じてコントロールすることができる。さらに、力Ｆは材料の圧力と直接的に相関関係にある。

【0035】

さらにピストンには、特にピストンのピストンヘッドの下面には、材料の可塑相の温度Ｔ_Ｋについての温度センサが配置される。
温度センサのこのような配置に基づき、ピストン位置依存的な印刷ヘッドの熱マネジメントが可能であり、それにより、溶融液がピストンヘッドの下面と接触することなく、材料のいっそう迅速な加熱が実現される。それにより、印刷ヘッドの充填プロセスの迅速化、ないしは充填プロセスの所要時間の短縮を実現できるという利点がある。

【0036】

さらに、充填と印刷をするために実行されるべき動作ストラテジーに応じてピストンを移動させるためのアクチュエータ装置の能動的な制御のために、および、印刷ヘッドの加熱部材の温度の能動的な制御のために、制御・調節ユニットが設けられる。

【0037】

さらに、センサの測定値を評価し、アクチュエータ装置の能動的な制御のために、および加熱部材の能動的な制御のために、その結果を制御・調節ユニットへ転送するために構成される評価ユニットが設けられる。
それぞれの動作状態に依存してセンサ値が検出されて評価されることで、印刷ヘッドの機能性をチェックすることができ、それにより、プロセスにおける不具合や誤差を早期に表示できるという利点がある。さらにセンサ値が検出されることで、定義された目標値を調節することができる。補正係数が計算されて、制御・調節ユニットに伝送されることも可能である。この補正係数をたとえば目標値に加算することができ、それによりノズルからの溶融液の所望の一定の吐出を実現できるという利点がある。
加熱部材の能動的な制御は温度のダイナミック制御を可能にし、これが加熱と冷却のいずれにも影響を及ぼすという利点がある。たとえば第１の加熱部材の熱エネルギーが制御・調節ユニットによって低減されたとき、フランジでの冷却は引き続き進行して、この冷却が材料の可塑相からエネルギーを奪い、それによって可塑相が急激に冷却される。

【0038】

本発明を改良するさらに別の方策については、図面を参照したうえでの本発明の好ましい実施例の記述とともに、以下において詳しく説明する。

【図面の簡単な説明】

【0039】

【図1】本発明に基づく印刷ヘッドである。

【図2】本発明による印刷ヘッドを示す別の図である。

【図3】本発明による印刷ヘッドの一部分である。

【図4】本発明による印刷ヘッドを作動させる方法のフローチャートである。

【図5】本発明による印刷ヘッドの一部分と圧力推移である。

【図6】本発明による印刷ヘッドのピストンのさまざまな位置を示す図である。

【図7】本発明による印刷ヘッドを充填する本発明による方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0040】

図１は３Ｄプリンタのための印刷ヘッド１００を示しており、ピストン３を制御するために印刷ヘッド１００のハウジング１に配置されたアクチュエータ装置１１０と、印刷可能な材料１０のための供給デバイス２と、ハウジング１および供給デバイス２に配置された、冷却装置５０を有するフランジ５と、固相１０から可塑相１１を経て液相１２へと材料１０を転換するための加熱部材６１，６３を有するノズルヘッド６と、材料１０の液相１２をノズルヘッド６から吐出するためのノズル８とを含んでいる。印刷ヘッド１００は、ピストン３を案内するための別個のピストンブッシュ４を含んでいる。

【0041】

冷却装置５０によって内部冷却されるフランジ５は、印刷ヘッド１００の加熱される下側領域を、アクチュエータ装置１１０に対して、ないしピストン３の駆動部に対して、熱的に分離するために作用する。

【0042】

ピストン３は、ピストン３をアクチュエータ装置１１０に連結するための第１のピストン部分３１と、第１のピストン部分３１に取り付けられ、ノズル８の方向にピストンニードル３２を収容するピストンヘッド３４とを含んでいる。ピストン３には、ないしピストンヘッド３４の下面３５には、材料の可塑相１１の温度Ｔ_Ｋを測定するための温度センサ３６が配置されている。ピストンヘッド３４の下面３５は、ピストン底面３５を形成する。第１のピストン部分３１はアルミニウム中空ピストンとして構成されるのが好ましく、この中空ピストンは、冷却通路として構成される中空室を内部に有する。第１のピストン部分３１の下側端部に、冷却剤システムを通じて冷却されるピストン冷却部３３が配置されている。ピストン冷却部３３はピストン底面３５での材料１１，１２の凝固のために作用し、それによってピストン３をアクチュエータ装置１１０の方向で封止し、ないしは、それによってアクチュエータ装置１１０の方向への液体の溶融液１２の流入を防止する。冷却剤としては冷却液が利用されるのが好ましく、冷却液は接続部や柔軟な配管を介してハウジング１を通り、第１のピストン部分３１の冷却接続部３７へと送出される。
フランジ５にある冷却装置５０も、これと同じ冷却剤システムによって冷却剤の供給を受ける。

【0043】

ピストン底面３５で材料１１，１２が冷却されることで、材料１１，１２の粘性が局所的に低下し、それにより、ピストン３が引き戻されるときに材料が糸を引くことなくこれから離れる。このときに新たな材料１０のためのスペースが創出される。

【0044】

図１は、供給デバイス２を介して印刷ヘッド１００に供給される印刷可能な材料１０で印刷ヘッド１００を充填するための初期位置でピストン３を示している。

【0045】

供給デバイス２は漏斗状に構成されており、好ましくは顆粒である材料１０が上方から供給デバイス２の開口部２３に投入される。材料１０は重力によって、ピストンブッシュ４の開口部２１ないし開口断面まで達する。開口断面２１の上方の供給デバイス２の下側領域２４には、顆粒粒子１０を互いに剥離するための吹込装置２５の空気通路２０が配置されている。空気通路２０は、空気圧弁２２によって空気衝撃２６により負荷される。吹込装置２５は空気圧弁２２と空気通路２０とを含んでおり、顆粒１０はインターバルごとに空気噴射で負荷されて、さらに上方に位置している供給デバイス２の領域の方向へ投げ出され、それによって個々の顆粒粒子１０が互いに剥離されるようになっている。吹込装置２５がオフになると、供給デバイス２の下側領域２４にある顆粒１０が、開いた開口断面２１のもとでピストンブッシュ４の中空室４０に落下する。
それにより、供給デバイス２の吹込装置２５は顆粒粒子１０が詰まって動かなくなるのを防止し、それによって供給装置２の閉塞が防止され、それにより、ピストンブッシュ４が顆粒１０で確実に充填されるように作用する。さらに、供給デバイス２の入口でいっそう小さい直径を適用することができる。

【0046】

ピストンブッシュ４は、フランジ５に突入する上側の部分領域４１と、ノズルヘッド６の上側の部分領域６０に突入する下側の部分領域４２とを有している。ピストンブッシュ４の上側の部分領域４１と下側の部分領域４２の間にストッパ４３が配置されていて、これによってフランジ５とノズルヘッド６が互いに分離される。開口部２１ないし開口断面は、ピストンブッシュ４の上側の部分領域４１に配置されており、ピストンブッシュ４の内面にゲート４４を有している。ゲート４４は、開口断面２１が閉じられたとき、ピストン３によって顆粒１０がゲート４４とピストン底面３５の間で、ゲート４４の下方の位置にピストン底面３５が達するまで、せん断されることを惹起する。

【0047】

ピストンブッシュ４はゲート４４のところで鈍角を有しており、この鈍角は鋭利なエッジ状であり硬化されている。このとき局所的な硬化が好ましい。ゲート４４は、別案の実施形態ではスローアウェイチップのような形式で、別個のインサートによって形成されていてもよい。
ゲート４４の設計形態は、顆粒１０をせん断するために必要な力の低減のために作用するという利点があり、それによりエネルギーを節減することができ、ピストンブッシュ４とピストン３の材料で摩耗の生じやすさが減る。このときゲート４４のエッジは極端に摩耗が生じやすい。

【0048】

ピストンブッシュ４の下側の部分領域４２に腎形部品７が配置されており、腎形部品７は、ピストン３のピストンニードル３２を収容するために中央に延びるボア７０を有している。
さらに腎形部品７は、ピストンブッシュ４に配置された中空室４０と、ノズルヘッド６の下側部分６２に配置された溶融液室８１との間の流体接続部を形成する、同心的に配置された開口部７１を有している。中空室４０はピストンブッシュ４の内部に配置されており、ピストンブッシュ４の内面と、ピストンニードル３２の外面と、腎形部品７の上面と、ピストン３の下面３５とによって形成される。

【0049】

腎形部品７の１つの好ましい役割は、ノズルヘッド６の加熱部材６１，６３から材料の液相１２ないし溶融液１２への熱伝導ないしエネルギー伝達にある。このことは特に中空室４０との、およびこれに伴って材料の可塑相１１との、接触面の拡大によって実現される。
もうひとつ別の役割はピストンニードル３２の案内にあり、ボア７０の内部でのピストンニードル３２の接触は、追加的に、必要なプロセス温度へのピストンニードル３２の加熱のために作用する。最終的なプロセス温度は、ノズル８へと向かうノズルヘッド６の中で初めて達成される。

【0050】

印刷ヘッド１００の充填プロセス中には、ノズル８が必要に応じて閉じられ、アクチュエータ装置１１０によるピストン３の制御のもとで、中空室４０および溶融液室８１に配置された材料１０，１１，１２がピストン送りによって圧縮される。

【0051】

ノズルヘッド６は印刷ヘッド１００の加熱部材６１，６３を含んでおり、第１の加熱部材６１は上側のノズルヘッド６０に配置され、第２の加熱部材６３は下側のノズルヘッド６２に配置されている。上側のノズルヘッド６０は、上側のノズルヘッド６０と下側のノズルヘッド６２の間に配置された、腎形部品７が載置される部分区域６４を有している。ノズル８の領域には、冷却リング８４がノズルヘッド６に配置されている。この冷却リングは印刷されるべき構成部品を冷却し、構成部品を印刷ヘッド１００から熱的に遮蔽する。

【0052】

ノズルヘッド６の加熱部材６１，６３は、中空室４０、腎形部品７、および溶融液室８２の中の材料１０，１１，１２を、材料の液相１２がそのプロセス温度に達してノズル８から吐出できるようになるまで加熱する。溶融液室８２は、上側のノズルヘッド６０の部分区域６４からノズル８まで先細になるように構成されている。

【0053】

さらに、印刷ヘッド１００は別のセンサを含んでおり、溶融液室８１には材料の液相１２の圧力ｐ_Ｌについての圧力センサ８３と、温度Ｔ_Ｌについての温度センサ８２とが配置されている。さらに別のセンサがアクチュエータ装置１１０に配置されており、ピストン３の位置ｓについてのストローク測定システム１１１と、ピストン３から材料１０，１１に及ぼされる力Ｆについての、またはピストン３に及ぼされる液圧ｐ_Ｈについての、センサ１１２とが設けられている。別案の実施形態では、センサ１１１，１１２が印刷ヘッド１００のピストン３に配置されていてもよい。

【0054】

印刷ヘッドは、センサ３６，８２，８３，１１１，１１２の測定値を評価し、アクチュエータ装置１１０の能動的な制御のために、および加熱部材６１，６３の能動的な制御のめに、その結果を制御・調節ユニット１１３へ転送するために構成された、図示しない評価ユニットを含んでいる。
制御・調節ユニット１１３は、充填と印刷のために実行されるべき動作ストラテジーに即してピストン３を移動させるための、アクチュエータ装置１１０の能動的な制御のために意図され、および、第１の加熱部材６１と第２の加熱部材６３の温度の能動的な制御のために意図される。
アクチュエータ装置１１０の能動的な制御にとって基準となるのは、評価ユニットによって受信されるセンサ信号と、それぞれの値から計算される結果である。
液相１２の圧力ｐ_Ｌについての圧力センサ８３、および温度Ｔ_Ｌについての温度センサ８２は、溶融液室８１に配置されている。ピストン３の位置ｓについてのストローク測定システム１１１、およびピストン３から材料１０，１１に及ぼされる力Ｆについての、またはピストン３に及ぼされる液圧ｐ_Ｈについてのセンサ１１２は、アクチュエータ装置１１０またはピストン３に配置される。
さらにピストン３には、材料の可塑相１１の温度Ｔ_Ｋについての温度センサ３６が配置される。

【0055】

センサ１１１，１１２，３６，８２，８３の信号ｓ，Ｆ，ｐ_Ｈ，Ｔ_Ｋ，Ｔ_Ｌ，ｐ_Ｌが評価ユニットに伝送され、引き続いてそこで、またはクラウドで評価され、その結果が動作ストラテジーに即して制御量として制御・調節ユニット１１３に伝送されて、アクチュエータ装置１１０ならびに加熱部材６１，６３が相応に制御される。

【0056】

図２は、本発明による印刷ヘッド１００の別の図を示しており、本発明に基づいて材料の固相１０が顆粒粒子１０を含んでおり、供給デバイス２は顆粒粒子１０を互いに剥離するために吹込装置２５を有している。
吹込装置２５は空気圧弁２２と空気通路２０とを含んでおり、空気通路２０は供給デバイス２のハウジング部分２７に配置されていて、供給デバイス２の下側領域２４にフランジ５の開口断面２１よりも上方で連通する。
空気通路２０は空気圧弁２２によって空気衝撃２６で負荷可能であり、空気衝撃２６は下側領域２４で顆粒粒子１０に対して作用して、これらが互いに剥離されるようになっている。
供給デバイス２は漏斗状に構成されており、顆粒粒子１０は上方から供給デバイス２の開口部２３に投入される。材料１０は重力によってフランジ５の開口断面２１まで、ないしはピストンブッシュ４まで、ないしはピストンブッシュ４の開口断面２１まで、到達する。フランジ５の開口断面２１よりも上方の供給デバイス２の下側領域２４に、吹込装置２５の空気通路２０が配置されている。空気通路２０は空気圧弁２２によって空気衝撃２６で負荷される。吹込装置２５は空気圧弁２２と空気通路２０とを含んでおり、顆粒１０はインターバルごとに空気衝撃により負荷されて、さらに上方に位置する供給デバイス２の領域の方向へと投げ出され、それによって個々の顆粒粒子１０が互いに剥離されるようになっている。吹込装置２５がオフになると、供給デバイス２の下側領域２４にある顆粒１０が、開いた開口断面２１のもとでピストンブッシュ４の中空室４０に落下する。それにより、供給デバイス２の吹込装置２５は顆粒粒子１０が詰まって動かなくなるのを防止し、それによって供給装置２の閉塞が防止され、それにより、ピストンブッシュ４が顆粒１０で確実に充填されるように作用する。再充填のプロセスは顆粒１０の後方吹込を必要とし、それによって顆粒が浮揚する効果が生じ、その結果、これが引き続いて印刷ヘッド１００の中に滑り込む。吹き上げは自動式の用途のためには不可欠であり、発生する重力衝撃ないし衝撃によって顆粒１０が滑落する。

【0057】

図３は、本発明による印刷ヘッド１００の一部分を９０°だけ回転させた図で示しており、ピストンブッシュ４の上側の部分領域４１を起点として腎形部品７を経てノズル８に至るまで、動作中に材料１０，１１，１２で充填される印刷ヘッド１００の状態ゾーンＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅが示されている。状態ゾーンＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、材料１０の凝集状態をその温度Ｔ_Ｓに依存して表しており、材料１０の凝集状態は状態ゾーンＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを通じて固相１０から可塑相１１を経て液相１２へと変化し得る。

【0058】

印刷ヘッド１００の内部での材料１０，１１，１２の温度Ｔ_Ｓないし温度推移が、印刷ヘッド１００の上に示すグラフに示されており、温度はストロークｓにわたって、ないし印刷ヘッド１００の作業領域１２０の長さにわたって、示されている。

【0059】

印刷ヘッド１００の状態ゾーンＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、材料が固相１０である低温ゾーンＡと、材料が可塑相１１である可塑化ゾーンＢと、材料がそれぞれ液相１２である溶融液ゾーンＤおよびプロセスゾーンＥとを含んでいる。さらに状態ゾーンは、材料が可塑相１１と液相１２である混合ゾーンＣを含んでいる。

【0060】

フランジ５の冷却装置５０と、ピストン３に統合されているピストン冷却部３３とは、可塑化ゾーンＢにおける材料の可塑相１１の温度Ｔ_Ｓを、その場合にもガラス転移温度Ｔ_ｇよりも下方に保つために意図され、このガラス転移温度を超えると材料１１が可塑化されて、液相１２へと移行することになる。材料が可塑相１１である可塑化ゾーンＢは、ここに示す実施形態では、顆粒の粘性がすでに変化しており、それによって圧縮プロセスと混合プロセスが最適化されるが、顆粒の可塑相１１がまだ液相１２へは移行していない、材料ないし顆粒の状態を表す。

【0061】

さらにノズルヘッド６は、２つの加熱ゾーン６５，６６を含んでいる。
第１の加熱ゾーン６５には、可塑化ゾーンＢの部分領域と、混合ゾーンＣと、溶融液ゾーンＤの部分領域とが配置されており、第１の加熱部材６１が上側のノズルヘッド６０に配置されて、第１の加熱部材６１から、ピストンブッシュ４２の下側の部分領域と、腎形部品７と、上側のノズルヘッドの部分区域６４とを経て、材料１０，１１，１２へ熱エネルギーを注入可能であるようになっている。

【0062】

第２の加熱ゾーン６６には溶融液ゾーンＤの部分領域とプロセスゾーンＥとが配置されており、第２の加熱部材６３が下側のノズルヘッド６２に配置されて、第２の加熱部材６３から下側のノズルヘッド６２を経て材料の液相１２へ熱エネルギーを注入可能であるようになっている。

【0063】

このグラフから読み取れるように、材料１０，１１，１２の温度Ｔ_Ｓは、印刷ヘッド１００の作業領域１２０のストロークｓにわたって連続して上昇していく。低温ゾーンＡではフランジ５の冷却装置５０の作用が支配的であり、それにより、顆粒１０はストロークｓにわたってゆっくりと加熱されるにすぎない。可塑化ゾーンＢからは、第１の加熱部材６１を有する第１の加熱ゾーン６５の影響が増していき、温度曲線はガラス転移温度Ｔ_ｇに達するまで著しく上昇していき、そこから混合ゾーンＣが始まる。温度Ｔ_Ｓは混合ゾーンＣでは低い勾配をもって、溶融液ゾーンＤに達するまで引き続き上昇していく。そこで、第２の加熱部材６３を有する第２の加熱ゾーン６６の影響ゾーンが始まり、この加熱部材が溶融液１２の温度Ｔ_Ｓを著しく上昇させてから、プロセスゾーンＥで溶融液１２のプロセス温度に達して、印刷能力のある溶融液１２が生じている。

【0064】

温度Ｔ_Ｓは、顆粒１０が充填時に詰まって動かなくなることがないが、ゲート４４での材料１０，１１のせん断ができる限り少ない力コストで可能となるように予加熱されるように、中空室４０へ流れ込むことができるように調整されなければならない。このとき印刷ヘッド１００の温度マネジメントは、フランジ５にある冷却装置５０が約４０℃の冷却温度調節をピストンブッシュ４へ、およびそれによって材料１０，１１へ注入し、第１の加熱ゾーン６５の第１の加熱部材６１が、材料１０，１１，１２のガラス転移温度Ｔ_ｇないし溶融液温度を下回る約３０℃の加熱温度調節を注入するように調整される。
このような効果がピストン冷却部３３によってサポートされる。ピストン底面３５で材料１１，１２が冷却されることで、材料１１，１２の粘性が局所的に低くなり、それにより、ピストン３が引き戻されたときに材料が糸を引くことなくこれから剥離される。その際に、ピストン３が供給デバイス２への開口断面２１を解放したときに、新たな材料１０のためのスペースが創出される。

【0065】

ピストン底面３５にある温度センサ３６は、ピストン３と材料１０，１１の接触個所における温度Ｔ_Ｋを測定し、それにより、材料１０のガラス転移温度Ｔ_ｇを上回らないように、印刷ヘッド１００の冷却出力と加熱出力を計算することができる。ピストン底面３５への温度センサ３６ないし温度検出器の配置に基づき、加熱部材６１，６３のピストン位置依存的な制御、およびそれによって温度Ｔ_Ｓの調整が可能である。それにより、材料１１，１２のいっそう迅速な加熱が実現される。このようにして印刷ヘッド１００の熱マネジメントは、６０から８０℃以下の低い溶融温度を有するプラスチックの加工も可能にする。

【0066】

プロセスゾーンＥで材料の液相１２を製作するための圧縮プロセス中、ノズル８は閉じている。ノズル８はたとえば図示しない閉止弁によって閉じることができ、または、プリンタの設計スペースでプレートの上に印刷ヘッド１００が位置決めされることで閉じることができる。さらに、構成部品９のすでに印刷されている領域を接近させ、それによってノズル８を閉じることもできる。ピストンニードル３２は圧縮プロセス中に溶融液室８１に沈み込み、さらにその中に入るように動いて、それにより液相１２の一部が溶融液ゾーンＤから混合ゾーンＣへ戻るように押し除けられるようになっており、それにより混合ゾーンＣでは液相１２が、可塑化ゾーンＢからの可塑相１１と混合される。このとき溶融液ゾーンＤからの液相１２は、溶融液室８１の上側領域から腎形部品７の開口部７１を通って、ピストンブッシュ４の中空室４０へ戻るように混合ゾーンＣへと押し除けられる。

【0067】

図４は、本発明による印刷ヘッド１００を作動させる方法２００のフローチャートを示しており、この方法２００は次の各ステップを含む：
－供給デバイス２によって中空室４０が印刷可能な材料１０で充填２１０され、
－スタート位置３ａを起点としてノズル８の方向へのピストン３の送りないし移動によってピストンブッシュ４の開口断面２１が閉止２２０され、
－材料１０が圧縮２３０され、
－材料が固相１０から液相１２へと転換２４０され、
－ピストン３の最終位置３ｚに達するまで、または構成部品９が完成するまで、三次元の構成部品９を印刷するために材料の液相１２がノズル８から吐出２５０され、
－ピストン３がスタート位置３ａへと復帰移動２６０し、
－方法２００の終了までステップ２１０から２６０が反復２７０される。
方法２００の少なくとも閉止２２０、圧縮２３０、転換２４０、および吐出２５０は、制御・調節ユニット１１３によるアクチュエータ装置１１０の能動的な制御によって実行され、センサ３６，８２，８３，１１１，１１２の測定値からの評価ユニットの結果が制御・調節ユニット１１３に転送される。

【0068】

図５は、本発明による印刷ヘッド１００の一部分と、印刷ヘッド１００を作動させる方法２００の作動中の、ないしさまざまな方法ステップの途中の、圧力推移ないし圧力・力推移を表す２つのグラフ５ａ，５ｂとを示している。図６は、図５に示すさまざまな方法ステップないし状態でのピストン３のそれぞれ異なる位置を、ピストン底面３５のスタート位置３ａを起点として最終位置３ｚまで示している。各方法ステップの実行中、フランジ５とピストン３の冷却装置５０，３３ならびに加熱部材６１，６３はアクティブであり、溶融液室８１ならびに腎形部品７は溶融液１２で満たされており、中空室４０の下側の部分領域では顆粒はまだ可塑相１１である。

【0069】

図示している印刷ヘッド１００の一部分は、図１から図３に示す本発明の印刷ヘッド１００の部分に相当しているので、上記の各図面の符号が図５および図６の説明のために援用されており、新たな構成要件や関連性、たとえばピストン３のそのつどの位置は、ピストン底面３５を基準として図５および図６に表示されている。

【0070】

図５は第１のグラフ５ａに、ピストン３が進んだストロークｓの上にプロットされた２つの曲線推移を示している。ストロークｓは、アクチュエータ装置１１０またはピストン３にあるストローク測定システム１１１ないしストロークセンサ１１１によって測定される。
上側の曲線は、閉止２２０および圧縮２３０のときにアクチュエータ装置１１０によってピストン３が送られている間にピストン３から材料１０，１１に及ぼされる力Ｆについての、または、ピストン３に及ぼされる液圧ｐ_Ｈについての、力・圧力推移を表しており、力センサないし圧力センサ１１２はアクチュエータ装置１１０またはピストン３に配置される。
グラフ５ａの下側の曲線は、溶融液室８１の中の溶融液圧力ｐ_Ｌの圧力推移を、圧縮２３０の間のピストン３のストロークｓに対して表している。液相１２ないし溶融液１２の圧力ｐ_Ｌについての圧力センサ８３は、溶融液室８１に配置される。

【0071】

第２のグラフ５ｂには、第１のグラフ５ａの下側の曲線の部分断片が示されており、ここでも溶融液室８１の中の溶融液圧力ｐ_Ｌの圧力推移が、圧縮２３０の間のピストン３のストロークｓに対して表されている（ｐ_ｃからｐ_ｄにかけての曲線推移）。

【0072】

図６ａは、印刷ヘッド１００の充填プロセス２１０の間のピストン３のスタート位置３ａを示しており、ピストン底面３５はピストンブッシュ４の開口部２１の上側で位置決めされている。充填プロセス２１０は補充プロセスとも呼ばれるが、それは、これが構成部品９の印刷中に任意に反復される、繰り返される手順だからである。図６ａに示すピストン３の位置は、図１に示すピストン３の位置に呼応する。ピストンブッシュ４の開口部２１ないし開口断面２１は開いており、供給デバイス２を介して顆粒１０をピストンブッシュ４の中空室４０に入れることができる。次いで、ピストン３がアクチュエータ装置１１０により、図６ｂに示す位置３ｂへと制御される。その際にピストン底面３５はピストンブッシュ４のゲート４４のそばを通過し、開口部２１から中空室４０に突き出した顆粒１０が、ピストン底面３５とゲート４４との間でせん断される。したがって、この位置はせん断位置３ｂと呼ばれる。せん断の後、開口断面２１が閉止２２０される。
力・圧力推移Ｆ，ｐ_Ｈはスタート位置３ａからせん断位置３ｂまで上昇していき、アクチュエータ装置１１０の力消費はゲート４４ないしせん断位置３ｂのところで最大になる。顆粒１０をせん断するための力をアクチュエータ装置１１０が印加しなければならないからである。力消費は、ゲートジオメトリーの最適化などの適当な方策によって、ピストン底面３５の性質や顆粒１０の予加熱との関連で低減することができる。それに対して溶融液１２の圧力推移ｐ_Ｌはわずかしか変化せず、ないしはほとんど上昇しない。ノズル８がまだ開いており、溶融液室８１の中で圧力生成が生じていないからである。

【0073】

次いで、ピストン３がアクチュエータ装置１１０によって力制御式ないし圧力制御式に位置３ｃまで移動する。ピストン３が移動するときに、材料ないし顆粒１０，１１に及ぼされる力Ｆまたはピストン３に及ぼされる液圧ｐ_Ｈが、ならびに溶融液１２における圧力ｐ_Ｌが、測定される。
位置３ｃは力上昇ないし圧力上昇によって定義され、すなわち位置３ｃは調節され、直接的な点ではなく、グラフ５ａに示す曲線の勾配が調節される。この勾配は、それぞれ上昇の少ない、ないしは上昇のない直線（位置３ａから位置３ｃまでの領域）から、事前定義された上昇ないし事前定義された上昇角が達成される、および／または超過される、曲線の上昇（位置３ｃ）への転換点ｐ_Ｌｃ，Ｆ_ｃ，ｐ_Ｈｃで生じる。位置３ｃは可塑化ゾーンＢの最初の３分の１にある。顆粒１０，１１は可塑化ゾーンＢでピストン３の送りによって圧縮され、それと同時に、中空室４０とノズル８との間の溶融液ゾーンＤには溶融液１２がある。可塑化された顆粒１１が、それによって混合ゾーンＣの中で溶融液１２に押し込まれる。
ピストン３の降下によって、およびこれに伴ってノズル８の方向へのピストンニードル３２の降下によって、すでに溶融液１２がノズル８から吐出され、それにより、まだ存在している可能性のある空気ないし気泡がノズルヘッド６から押し除けられることが実現される。それによってノズル８が空く。

【0074】

位置３ｃには方法面および材料面から許容範囲が与えられ、それにより、順次実行される印刷ヘッド１００のさまざまな充填プロセスのもとで、ピストン３の位置３ｃが若干相違していてもよい。したがって位置３ｃは固定的な点ではない。位置３ｃが所定の許容範囲内にあれば、充填プロセス２１０が成功したことが保証され、すなわち十分な顆粒１０が中空室４０に投入されており、溶融液室８１がすでに溶融液１２で充填されている。勾配がたとえば位置３ｃの大幅に手前で始まっている場合には、ピストン底面３５からノズル８までの領域に過量の高粘度な、ないしは硬い材料１０，１１があり、混合ゾーンＣでの混合プロセスが場合により成功していない。勾配がたとえば位置３ｃよりも大幅に後で初めて始まっているときは、場合により少なすぎる材料１０しか再充填されていない。

【0075】

位置３ｃへの到達後、印刷ヘッド１００のノズル８が閉止される。

【0076】

予備圧縮は完了しており、圧縮２３０のためにピストン３が位置３ｃを起点として圧力制御式に、事前に定義されたピーク圧力ｐ_ｄに達してピストン底面３５が図６ｃに示す位置３ｄへと移動するまで送られる。ピーク圧力ｐ_ｄは、材料１０と必要性に応じておよそ１００から３００バールの間であり得る。

【0077】

次いで、材料依存的な事前定義される時間帯の間、いわばピーク圧力位置３ｄが保持される。このときピストン底面３５は第１の加熱ゾーン６５に突入し、ピストンニードル３２は溶融液室８１に突入し、保持されている間に溶融液１２の一部がノズルヘッド６の溶融液室８１から腎形部品７の開口部７１を通って混合ゾーンＣに戻るように、そこにある可塑的な顆粒１０の中に流れる。それによって残留空気が押し除けられ、溶融液１２が混合ゾーンＣで均一化される。それによって改善されたエネルギー流が実現され、いっそう均一な材料１１，１２が生成される。流れ戻る溶融液１２は可塑的になり、腎形部品７に押し込まれた顆粒割合１１が溶融液状になる。それにより材料１１，１２の混合が生じる。
ここで説明している保持プロセスは、さらに、印刷ヘッド１００の分析とシステムチェックをするための役目を果たす。圧力ｐ_Ｌの圧力測定の際に、次のような効果が生じ得るからである。溶融液１２における圧力ｐ_Ｌの圧力上昇は、たとえば温度Ｔ_Ｌが高すぎるために、溶融液１２がガス化することを意味することになる。高すぎる溶融液温度Ｔ_Ｌは望ましくない。空気プラズマが発生する可能性があり、このことは化学的崩壊につながるからである。
溶融液圧力ｐ_Ｌの大幅な圧力低下は、たとえば、印刷ヘッド１００のシステムが非密閉であるか、多すぎる空気がまだシステム内にあったことを意味し得る。このような効果が発生する可能性があるのは、たとえば印刷ヘッド１００の温度マネジメントが最善に調整されていなかったために、温度が低い材料１０，１１が過量に中空室４０に存在していた場合である。

【0078】

事前定義された時間帯の経過後に、ピストン３がピーク圧力位置３ｄからアクチュエータ装置１１０によって圧力制御式に、およそ０バールの目標圧力ｐ_ｅに達するまで復帰移動する。システムが負荷軽減される。それにより、溶融液１２が圧力軽減されてガス抜きされることが実現され、それによって特にプロセスゾーンＥでは、質的に高価値であり印刷能力のある純粋な溶融液１２が発生している。目標圧力ｐ_ｅに達すると、図６ｄに示す目標圧力位置３ｅに到達し、ピストン底面３５は第１の加熱ゾーン６５の外部で、ピストンブッシュ４のストッパ４３の領域に位置決めされる。
このとき測定される、ピーク圧力位置３ｄの圧力ｐ_ｄと目標圧力位置３ｅの圧力ｐ_ｅとの間の圧力差、および両方の点３ｄ，３ｅの間で進んだストロークｓが、材料の液相１２ないし溶融液１２のばね定数を明らかにする。

【0079】

ばね定数は溶融液１２の圧縮性から求められ、アクチュエータ装置１１０によるピストン３の正確な制御のために必要となる補正係数ないしフォームファクタにつながる。
溶融液の圧縮性に基づき、たとえばピストン３が進んだ幾何学的なピストンストロークｓの１．２容積単位は、溶融液１２の運び出された容積の１．０容積単位に相当する。圧縮性がなければ比率は１：１になるはずである。

【0080】

それにより、アクチュエータ装置１１０がピストン３を制御式にコントロールできることが実現され、ばね定数は、特に、溶融液１２の現実の吐出が、印刷時に動く印刷ヘッド１００の軌道速度に依存して、溶融液１２の計算された正確な容積流量を達成することを可能にする。すなわち、印刷ヘッド１００の各々の軌道速度のもとでの各々の印刷位置で、そのつど必要な量の溶融液１２が構成部品９に向けて吐出される。

【0081】

次いで印刷プロセス２５０が、ピストン３の引き戻しによる能動的な減圧を通じて準備される。
このときピストン３は、判定されたばね定数に依存して約１から２ミリメートルだけ引き戻され、それにより、引き続いてノズル８ないしノズル開口部が開いたときに、溶融液１２がこれから外に出ないことが実現される。このことは、位置３ｅの引き続いての保持のもとで、既存の開放系に基づいて重力の影響によって発生することになる。それと同時に、溶融液１２がばねのような形式で負荷軽減される。

【0082】

次いで、圧縮によって新たな印刷準備が始まる。印刷ヘッド１００のシステム全体は、すでに説明したとおり、溶融液１２がたとえば約２０％の圧縮を有し得るので、圧縮性のシステムである。したがって、ピストン３の送りによって押し除けられる容積は吐出された材料１２の容積には相当せず、そのために不正確で不規則な吐出が生じかねない。印刷プロセス２５０の送りについて生じ得る溶融液１２の容積は、目標位置３ｅと、図６ｅに示す最終位置３ｚまでのストロークとによって定義される。
上で説明した効果に基づき、溶融液１２は印刷開始中に圧縮される。印刷開始時の溶融液室８１での溶融液１２の圧縮は、部分的に、溶融液１２が「押し出される」ときのノズル８のノズル開口部での摩擦を通じて生成され、部分的に、構成部品９もしくは構成部品９が上に設置された基材支持体に印刷されるときの抵抗を通じて生成される。
溶融液１２の均等な吐出は印刷ヘッド１００のインテリジェントな制御によって実現され、補正係数の分だけ適合化されたピストン３の非同期の運動が、アクチュエータ装置１１０での電子式の伝動装置の利用によって行われる。特に溶融液１２の判定されたばね定数から求められる補正係数が、いわばシステムに干渉する。したがって本発明による印刷ヘッド１００は、通常のＮＣシステムに準ずる同期運動への限定を有さない。

【0083】

印刷プロセス２５０は圧力制御式に実行され、ノズルヘッド６にある圧力センサ８３を通じて溶融液１２の圧力ｐ_Ｌが恒常的に測定される。測定される圧力ｐ_Ｌは、構成部品９ないし基材支持体（構成部品がまだない場合）に向けて溶融液１２が吐出されることで生じる圧力である。対象物に印刷をするこのような効果がなければ、ノズル８での背圧も摩擦圧力を除いて生じないことになり、そのため、多すぎる材料／溶融液１２がノズル８から吐出されることになる。
印刷プロセス２５０は、ピストン３のインテリジェントなコントロールと制御によって、溶融液１２に能動的に干渉がなされることによって開始される。その際には、溶融液１２の圧縮性を補うために行程が「いっそう多く」実行される。このとき原理的には多すぎる溶融液１２がノズル８から押し出されるが、溶融液１２への干渉と並行して圧力センサ８３が読み取られ、それによって相応に圧力依存的に対応制御を行うことができる。
このようなケースについては、電気駆動されるアクチュエータ装置１１０がダイナミックであり非常に効率的であることが判明している。

【0084】

印刷プロセス２５０の間に溶融液温度Ｔ_Ｓが継続的に測定され、加熱ゾーン２で溶融液１２がノズルヘッド６の加熱部材６３を通じて、プロセスゾーンＥの領域でのプロセス温度の所要の目標値に合わせて制御される。

【0085】

印刷開始のためにピストン３が印刷ヘッド１００の軌道速度に応じてアクチュエータ装置１１０によって制御され、それにより溶融液１２がノズル８から吐出される。
印刷プロセス中、印刷ヘッド１００の制御・調節ユニット１１３が作動化され、たとえば必要時には加算による目標値ないし加算による材料１２の量を付け加えるために、アクチュエータ装置１１０の制御に能動的に介入する。たとえば加算による目標値が付け加えられ、それにより、継続的な制御によるよりも多くの材料１２がノズル８から吐出され、ないしは押し出されると、その帰結としてノズルヘッド６での圧力ｐ_Ｌも上昇する。このとき加算による目標値は干渉された値であり、ないしは、ばね定数から求めた補正値に応じて所望の容積の溶融液１２を吐出するために進まなければならない追加のピストンストロークである。それによって整定状態に達し、それにより、構成部品９に向けて吐出される溶融液１２の量が一定に保たれる。

【0086】

ピストン３の送りによって、およびその結果としての溶融液１２の圧力上昇によって、溶融液１２という仮想的な「ばね」が縮まり、ないしは剛性が高くなる。こうして生じる工学的な効果が制御・調節ユニット１１３によって追従制御され、それにより、引き続いて印刷プロセス２５０の間に正確な量の溶融液１２がノズル８から吐出される。

【0087】

このときピストンニードル３２の使用は、これによって溶融液室８１の溶融液１２の内部での直接的な容積押除けが可能になるという好ましい効果のために作用し、それにより、いっそう低いばね定数が実現される。低いばね定数は、ひいては印刷ヘッド１００の高いダイナミクスを可能にする。この効果は、ピストンニードル３２によって溶融液１２に対するいっそう直接的な圧力伝達が行われることから生じる。すなわちピストン３が送られたとき、ノズル８から溶融液１２を吐出するために、ピストン底面３５だけでなく、ノズル８のさらに近傍に位置決めされたピストンニードル３２も圧力インパルスを伝達する。

【0088】

印刷プロセス２５０は最大で、ピストン底面３５が位置３ｚに達するまで実行可能であり、位置３ｚは、ピストン底面３５が機械的なストッパに達するのでなく、図６ｅに示すように、腎形部品７に達する直前で停止するように規定される。その後は材料１２を吐出できなくなり、上に説明した充填プロセス２１０ないし補充プロセスがあらためて開始される。

【0089】

図７は、本発明による印刷ヘッドを充填２１０するための本発明の方法のフローチャートを示しており、印刷ヘッド１００の加熱可能な中空室４０が供給デバイス２によって印刷可能な材料１０で充填される。

【0090】

供給デバイス２による印刷可能な材料１０での中空室４０の充填２１０は、次の各ステップを含む：
－供給デバイス２の開口部２３を通じて顆粒粒子１０が印刷ヘッド１００に投入３１０され、
－顆粒粒子１０を互いに剥離するための空気衝撃２６が生成３２０される。

【0091】

顆粒粒子１０の投入３１０は手動式または自動式に行われ、顆粒粒子１０は重力の影響によって供給デバイス２の下側領域２４へと滑り込む。

【0092】

空気衝撃２６の生成３２０はインターバルをおいて行われ、それによって顆粒粒子１０が空気衝撃２６の領域で投げ上げられて、再び落下するときに、その下に位置する顆粒粒子１０に対して衝撃を及ぼして、印刷ヘッド１００の加熱された中空室４０の中へ滑落するようにこれに刺激を与えるようになっている。

【符号の説明】

【0093】

１ ハウジング
２ 供給デバイス
３ ピストン
５ フランジ
６ ノズルヘッド
８ ノズル
１０ 材料、固相
１２ 液相
２０ 空気通路
２１ 開口断面
２２ 空気圧弁
２３ 開口部
２４ 下側領域
２５ 吹込装置
２６ 空気衝撃
２７ ハウジング部分
４０ 中空室
５０ 冷却装置
６１，６３ 加熱部材
１００ 印刷ヘッド
２１０ 方法
３１０ 顆粒粒子の投入
３２０ 空気衝撃の生成

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【手続補正書】

【提出日】2023-11-03

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0052】

ノズルヘッド６の加熱部材６１，６３は、中空室４０、腎形部品７、および溶融液室８１の中の材料１０，１１，１２を、材料の液相１２がそのプロセス温度に達してノズル８から吐出できるようになるまで加熱する。溶融液室８１は、上側のノズルヘッド６０の部分区域６４からノズル８まで先細になるように構成されている。

【国際調査報告】