DE102015002967A1

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Publication number: DE102015002967A1
Application number: DE102015002967.3A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-03-07
Filing date: 2015-03-07
Publication date: 2016-10-13

Abstract

Translated fromGerman

Ein 3D-Druckwerkzeug ist derart aufgebaut um 3D-Druckmaterial 110 zu verarbeiten, welches durch Erhitzen vermschmilzt, wodurch das Werkstück 200 geformt wird, enthaltend eine Versogungseinheit 300 für die Zuführung des 3D-Druckmateriales 110 für das 3D-Drucken, sowie eine Strahlungsheizung 400 für das selektive Erhitzen des Druckmateriales 200, welche ausreichend ist um das 3D-Druckmaterial 200 zu verschmelzen, während das erhitzte 3D-Druckmaterial 120 durch die Zuführeinheit 300 auf das zu formende Werkstück 200 geleitet wird.A 3D printing tool is configured to process 3D printing material 110, which melts by heating, thereby forming the workpiece 200, including a feeding unit 300 for feeding the 3D printing material 110 for 3D printing, and a radiant heater 400 for selectively heating the print material 200 sufficient to fuse the 3D print material 200 while the heated 3D print material 120 is being fed to the work piece 200 to be formed by the feed unit 300.

Description

Translated fromGerman

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug für 3D Druck, und im Speziellen, auf ein 3D-Druck Werkzeug bei welchem Strahlungserwärmung zum selektiven erwärmen von 3D Druckmaterial zum Einsatz kommt. Beispielsweise definiert durch ein sequentielles Hinzufügen/Verbinden innherhalb eines 3 dimensionalen Arbeitsbereiches unter automatischer Steuerung.The present invention relates to a tool for 3D printing, and more particularly to a 3D printing tool in which radiation heating is used to selectively heat 3D printing material. For example, defined by sequential addition / interconnection within a 3-dimensional workspace under automatic control.

Hintergrundbackground

3D-Druck hat zunehmende Bedeutung erlangt, aufgrund der Möglichkeit ein breites Spektrum verschiedener Objekte mit nur einer Maschine herzustellen. Bei dieser Art der Herstellung bezieht sich der Ausdruck des Druckens auf einen Wachstumsprozess des Objektes durch schichtweises Hinzufügen von Material bis das gesamte Objekt fertiggestellt ist.3D printing has become increasingly important due to the ability to produce a wide range of different objects with just one machine. In this type of fabrication, the term printing refers to a growth process of the object by adding layers of material until the entire object is completed.

Bei einer Variante des 3D-Drucks wird jede einzelne Schicht durch Applikation einer Granulatschicht geformt, welche im Folgenden an den Flächen gesintert wird (bspw. durch Exponieren eines Teiles der Schicht mit Hitze), welche später Teil des zu formenden Objektes sein werden. Schliesslich wird das überschüssige, nicht gesinterte Granulat entfernt, sodass das gesinterte zusammenhängende Objekt zutage kommt.In one variant of 3D printing, each individual layer is formed by applying a layer of granules, which is subsequently sintered to the surfaces (eg by exposing a portion of the layer to heat), which will later be part of the object to be formed. Finally, the excess, non-sintered granules are removed so that the sintered coherent object comes to light.

Diese Art der Herstellung führt zu einer Anzahl and Problemen. Zuförderst limitiert der Sinter-Prozess die Anzahl der verwendbaren Materialien für einen derartigen Prozess. Zusätzlich ist das Volumen des gedruckten Objektes in der Regel kleiner als das Gesamtvolumen welches für den Prozess benötigt wird. Dieses überschüssige Material muss aber während des Druckens mit verarbeitet werden, was die Effizienz des Prozesses beinträchtigt. Außerdem muss das Werkstück oft weiter bearbeitet, das überschüssige lockere Pulver manuell entfernt werden, und eine Überwachung der produzierten Geometrie kann schwer während des Prozesses überwacht werden. Auch wird bei diesem Prozess das Material nicht kontinuierlich aufgetragen und verbunden. Das Auftragen und das Schmelzen des Pulvers müssen bisher in zwei getrennten Phasen aufgetragen werden, was zu einer geringeren Zeit- und Materialeffizienz führt.This type of manufacturing leads to a number and problems. Initially, the sintering process limits the number of usable materials for such a process. In addition, the volume of the printed object is usually smaller than the total volume needed for the process. However, this excess material must be processed during printing, which affects the efficiency of the process. In addition, the workpiece often has to be further processed, the excess loose powder must be removed manually, and monitoring of the geometry produced can be difficult to monitor during the process. Also, in this process, the material is not continuously applied and bonded. The application and melting of the powder have to date been applied in two separate phases, which leads to a lower time and material efficiency.

Eine weitere konventionelle Technik des 3D-Drucks ist als Filament Extrusion (Fused Deposition Modelling) bekannt. Obwohl technisch vergleichsweise einfach und auch von ungelerntem Personal handhabbar, hat dieser Prozess wesentliche Schwachen wie beispielsweise extrem geringe Fabrikationsgeschwindigkeiten des Werkstückes, eine rauhe Oberfläche aufgrund von Extrusionsspuren der einzelnen Schichten, sowie eine erhebliche Einschränkung der verwendbaren Materialien zu thermoplastischen Polymeren. Zusätzlich können diese Materialien während des Prozesses nicht graduell gemischt werden und kaum für die Fabrikation komplexerer oder höher qualitativer kommerzieller Produkte eingesetzt werden.Another conventional technique of 3D printing is known as filament extrusion (fused deposition modeling). Although technically comparatively simple and also manageable by untrained personnel, this process has significant weaknesses such as extremely low fabrication speeds of the workpiece, a rough surface due to extrusion traces of the individual layers, as well as a significant limitation of the usable materials to thermoplastic polymers. In addition, these materials can not be mixed gradually during the process and are hardly used for the fabrication of more complex or higher quality commercial products.

Bestimmte Grundanforderungen erwachsen um 3D-Druck ökonomischer zu machen und dessen Potentiale für eine Anwendung in einem grösseren kommerziellen und industriellen Masßstab verfügbar zu machen. Dies sind eine substantielle Beschleunigung der Fabrikation, eine Erweiterung der Menge verügbarer Materialien und eine Erhöhung der möglichen Auflösung des Fabrikationsprozesses. Ein weiteres zukünftiges Potential des 3D-Druckens besteht darin, dass die prodzierten Waren überlegene Materialqualität im Vergleich mit heutigen Standards besitzen, während der erforderliche Arbeitsaufwand auf ein Minimum reduziert werden kann, was einen zusätzlichen und entscheidenden Wettberwerbsvorteil erlauben kann.Certain basic requirements have grown to make 3D printing more economical and to make its potential available for use in a larger commercial and industrial scale. This is a substantial acceleration of fabrication, an increase in the quantity of available materials, and an increase in the potential dissolution of the fabrication process. Another future potential of 3D printing is that the goods produced have superior material quality compared to today's standards, while the labor required can be reduced to a minimum, which may allow an additional and crucial competitive advantage.

Die vorliegende Erfindung eröffnet neue Technologien für 3D-Druck und trägt diesen Anforderungen Rechnung.The present invention opens up new technologies for 3D printing and takes these requirements into account.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die vorliegende Erfindung löst die im Vorfeld diskutierten Probleme durch Offerierung von 3D-Druckwerkzeugen (Köpfe) entsprechend Anspruch 1 oder Anspruch 7, sowie Offerierung einer 3D-Druck Methode entsprechend Anspruch 17. Die diesbezüglichen Ansprüche beziehen sich auf spezifisch vorteilhafte Umsetzungen des behandelten Gegenstandes der unabhägigen Ansprüche.The present invention solves the previously discussed problems by offering 3D printing tools (heads) according toclaim 1 or claim 7, as well as offering a 3D printing method according to claim 17. The claims herein relate to specifically advantageous implementations of the treated article of independent art Claims.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein 3D-Druck Werkzeug (3D-Druckkopf) welches derart aufgebaut ist um Druckmaterial zu verarbeiten, welches durch Hitze geschmolzen wird und dadurch zur Formung eines Werkstückes verwendet werden kann. Das Werkzeug umfasst eine Zuführeinheit für das zur Verfügung stellen des Druckmaterials für das 3D-Drucken, sowie ein Strahlungs-Heizelement für das selektive Erwärmen des Druckmaterials, das ausreicht für die Verschmelzung des Druckmaterials während der zur Zuführung des Materials durch die Zuführeinheit.The present invention relates to a 3D printing tool (3D printing head) which is constructed to process printing material which is melted by heat and thereby used for molding a workpiece. The tool comprises a feed unit for providing the printing material for 3D printing, and a radiant heating element for selectively heating the printing material sufficient for the fusion of the printing material during the feeding of the material by the feeding unit.

Die Zuführeinheit kann das 3D-Druckmaterial kontinuierlich zur Verfügung stellen während es durch das Strahlungs-Heizelement erhitzt wird. Jedoch kann das Material auch in Form von Paketen (Bunching des Druckmaterials) bereitgestellt werden, sodass das 3D-Druck Werkzeug (3D-Druckkopf) eine gepulste Zuflusseinheit enthält um das Druckmaterial in einer Serie von Paketen dem Werkstück hinzuzufügen. Diese Druckmaterial-Pakete können von einem Strahlungs-Heizgerät erhitzt werden und werden von einer Versorgunseinheit zur Verfügung gestellt.The feeder unit can continuously provide the 3D printing material while it is being heated by the radiant heating element. However, the material may also be provided in the form of packages (bunching of the print material) such that the 3D print tool (3D print head) includes a pulsed feed unit around the print material in a series of packages to the workpiece add. These printed material packages can be heated by a radiant heater and are provided by a supply unit.

Im Gegensatz zu konventionellen 3D-Druck-Maschinen (bspw. Laser Sintering), werden bei der vorliegenden Erfindung nur die Regionen mit Printmaterial versorgt, wo dieses zur Formung des Werkstückes tatsächlich benötigt wird. Es entsteht kein Bedarf eine gesamte durchgehende Materialschicht für die Formung des Werkstückes zur Verfügung zu stellen. Da die vorliegende Erfindung auf einer selektiven Erhitzung beruht, kann das 3D-Druckwerkzeug (3D-Druckkopf) verhältnismässig kühl bleiben, während das 3D Druckmaterial durch die Strahlungsquelle aufgeheizt wird. Da das Erhitzen direkt in dem 3D-Druckwerkzeug, oder sehr nahe an Diesem erfolgt, kann das noch erhitzte bzw. geschmolzene 3D-Druckmaterial mit dem Werkstück im Moment des Kontaktes mit Diesem verschmolzen werden (Beispielsweise nach Verlassen des 3D-Druckwerkzeuges).In contrast to conventional 3D printing machines (laser sintering, for example), in the present invention only the regions are supplied with print material where this is actually needed to form the workpiece. There is no need to provide an entire continuous material layer for the shaping of the workpiece. Since the present invention relies on selective heating, the 3D printing tool (3D printhead) may remain relatively cool while the 3D printing material is being heated by the radiation source. Since the heating is done directly in, or very close to, the 3D printing tool, the still heated or melted 3D printing material can be fused to the workpiece at the moment of contact with it (for example, after leaving the 3D printing tool).

Das obig genannte Problem wird durch Anspruch 1, durch Verwendung von Strahlung, welches selektiv das 3D-Druckmaterial erhitzt, gelöst. Generell, erlaubt dieses neue Konzept die Schaffung von Prozessbedingungen für die Formung eines Werkstückes, welche aktuelle Techniken weder ermöglichen, noch Diesen widerstehen könnten.The above-mentioned problem is solved byclaim 1, by using radiation which selectively heats the 3D printing material. In general, this new concept allows the creation of process conditions for the molding of a workpiece that current techniques neither enable nor resist.

Da das Druckmaterial selektiv erhitzt wird, ohne das 3D-Druckwerkzeug selbst wesentlich zu erwärmen (Kaltes 3D Drucken), besteht bei einer weiteren Ausführungsform das Werkzeug aus einer Zuführ-Einheit und einer Austritts-Einheit, welche das 3D-Druckmaterial zum Werkstück leitet. Hierbei ist die Strahlungsheizung derart positioniert, sodass das 3D-Druckmaterial an-, oder innherhalb des Austritts der Zuführeinheit aufgeheizt wird. So kann das erhitzte 3D-Druckmaterial nicht in direkten Kontakt mit der Zuführeinheit des 3D-Druckwerkzeuges kommen. Dies hat den Vorteil, dass das 3D-Druckmaterial innerhalb des 3D-Druckwerkzeuges (oder zumindest innherhalb eines Grossteils des 3D-Werkzeuges) erst im letzten Moment, bei Verlassen des 3D-Druckwerkzeuges, oder bei Aufschlag auf die Oberflache des Werkstückes erhitzt wird. Kühle 3D-Druckmaterialien (bspw. Filamente, Pulver) im 3D-Druckwerkzeug sind vorteilhaft, da dies die Anhaftung (Adhäsion), Reibung zwischen 3D-Druckmaterial und Innenwand des 3D-Druckwerkzeuges reduziert. Im Kontrast hierzu würden erhitzte (geschmolzene) 3D-Druckmaterialien die Reibung bzw. Adhäsion mit den Innenwänden des 3D-Druckwerkzeuges erhöhen und damit zu einem Grenzwert für die Prozessgeschwindigkeit führen, welcher nicht einfach durch Erhöhung des Druckes auf das geschmolzene 3D-Druckmaterial im Werkzeug überwunden werden kann.In a further embodiment, since the print material is selectively heated without significantly heating the 3D print tool itself (cold 3D printing), the tool consists of a feed unit and an exit unit which directs the 3D print material to the workpiece. Here, the radiant heater is positioned so that the 3D printed material on, or is heated within the outlet of the feed unit. Thus, the heated 3D printing material can not come into direct contact with the feeding unit of the 3D printing tool. This has the advantage that the 3D printing material within the 3D printing tool (or at least innherhalb a majority of the 3D tool) is heated only at the last moment when leaving the 3D printing tool, or on impact on the surface of the workpiece. Cool 3D printing materials (eg, filaments, powders) in the 3D printing tool are advantageous because they reduce the adhesion, friction between the 3D printing material and the inner wall of the 3D printing tool. In contrast, heated (melted) 3D printing materials would increase the friction or adhesion with the inner walls of the 3D printing tool and thus result in a process speed limit which is not overcome simply by increasing the pressure on the molten 3D printing material in the tool can be.

Es muss klargestellt werden, dass es sich bei der Strahlung, welche von der Strahlungsheizung emittiert werden kann um jede Art von Strahlung handeln kann (bspw. Mikrowellen, Laserstrahlung, Partikelstrahlung), welche aufgrund von Wellenlänge und Intensität, geeignet ist, um das 3D-Druckmaterial, oder zumindest einen einen Anteil dessen zu erhitzen. Gleichzeitig kann die Strahlung nur schwach mit dem 3D-Druckwerkzeug wechselwirken, sodass das 3D-Druckwerkzeug nicht-, oder nur geringfügig erhitzt wird. Deshalb ist eine weitere Ausführungsform der Strahlungsheizung derart konfiguriert, um eine elektromagnetische Strahlung zu emittieren, welche das 3D-Druckmaterial erhitzt. Jedoch kann die Strahlungsheizung auch das 3D-Druckmaterial mittels Partikelstrahlung erhitzen (bspw. Strahlung von Elektronen oder Protonen oder irgen eine andere Art von Partikeln inklusive Ionen).It must be made clear that the radiation which can be emitted by the radiant heater can be any kind of radiation (eg microwaves, laser radiation, particle radiation) which, due to its wavelength and intensity, is suitable for Printing material, or at least one to heat a portion of it. At the same time, the radiation can interact only weakly with the 3D printing tool, so that the 3D printing tool is not or only slightly heated. Therefore, another embodiment of the radiant heater is configured to emit electromagnetic radiation that heats the 3D printing material. However, the radiant heating can also heat the 3D printed material by means of particle radiation (for example radiation of electrons or protons or some other type of particles including ions).

Im Speziellen ermöglicht die Strahlungsheizung ein Kontaktfreies erhitzen, welches sicher stellt, dass nicht die gesamte Zuführeinheit oder das 3D-Druckwerkzeug erwärmt wird, sondern nur das entsprechende 3D-Druckmaterial. Deshalb ist bei einer weiteren Ausführungsform die Strahlungsheizung derart konfiguriert, sodass das 3D-Druckmaterial ausserhalb der Zuführeinheit an einer Position am-, oder in Nähe des Werkstückes aufgeheizt wird. Zusätzlich kann die Strahlungsheizung derart konfiguriert sein, um um das 3D-Druckmaterial in einem Bereich nahe des Werkstückes, Beispielsweise unterhalb der Austrittsöffnung der Zuführeinheit, oder am Ende der Düse zu erhitzen.In particular, the radiant heater allows a contactless heating to take place, which ensures that not the entire feeder unit or the 3D printing tool is heated, but only the corresponding 3D printing material. Therefore, in another embodiment, the radiant heater is configured such that the 3D printing material outside of the feeder unit is heated at a position at or near the workpiece. In addition, the radiant heater may be configured to heat the 3D printing material in an area near the workpiece, for example below the exit opening of the feeder unit, or at the end of the nozzle.

Das 3D-Druckmaterial kann, in Abhängikeit der jeweiligen Materialeigenschaften, über eine ausreichende Steifigkeit verfügen, bis es von der Strahlung erhitzt wird (bspw. bis zur Schmelztemperatur). Dies emöglicht den Vorteil, dass das Filament eine gewisse Distanz unterhalb des 3D-Druckwerkzeuges herausragen kann, sodass eine akkurate Positionierung für den Prozess der Materialanlagerung erreicht wird, ohne dass das 3D-Druckwerkzeug tatsächlich das Werkstück berühren muss.Depending on the material properties, the 3D printing material may have sufficient rigidity until it is heated by the radiation (for example up to the melting temperature). This allows the advantage that the filament can protrude a certain distance below the 3D printing tool, so that an accurate positioning for the process of material attachment is achieved without the 3D printing tool actually has to touch the workpiece.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Zuführeinheit eine Düsen-Einheit enthalten. Zusätzlich, Im Falle einer Verwendung eines Filamentes (oder irgend eines stabartigen Materials) kann ein Antrieb (bspw. Filament-Antrieb) zur Verfügung gestellt werden um das 3D-Druckmaterial zur Düsen-Einheit zu leiten. Der Material-Vortrieb kann aus Antriebsrädern bestehen, um das Filament zur Düsen-Einheit zu bewegen. Zusätzlich kann die Geschwindigkeit des Materialvortriebes eingestellt werden, um die Menge der Materialanlagerung am Werkstück zu steuern.In another embodiment, the delivery unit may include a nozzle unit. Additionally, in the case of using a filament (or any rod-like material), a drive (eg filament drive) may be provided to direct the 3D printing material to the nozzle unit. The material propulsion may consist of drive wheels to move the filament to the nozzle unit. In addition, the material propulsion speed can be adjusted to control the amount of material accumulation on the workpiece.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform ebthät das 3D-Druckwerkzeug eine Einheit zur Materialspeicherung, welche derart ausgeformt ist, 3D-Druckmaterial als Filament für die Zuführeinheit zur Verfügung zu stellen. Entsprechend einer weiteren Ausführungsform, ist der Materialspeicher derart ausgeformt um das 3D-Druckmaterial zusammengesetzt aus einer Mehrzahl von Partikeln oder Fasern, oder in einer anderen Form, der Zuführeinheit zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich, kann das 3D-Druckmaterial auch in flüssiger Form, wie beispielsweise Wasser, Kleber, Harz, oder Mineralien verwendet werden. Die Aushärtung kann durch Exposition gegenüber Strahlung erfolgen.According to a further embodiment, the 3D printing tool includes a unit for Material storage, which is shaped to provide 3D printing material as a filament for the feed unit available. According to a further embodiment, the material storage is formed so as to provide the 3D printing material composed of a plurality of particles or fibers, or in another form, to the delivery unit. In addition, the 3D printing material can also be used in liquid form, such as water, glue, resin, or minerals. Curing can be by exposure to radiation.

Zusätzlich kann das 3D-Druckwerkzeug Einrichtungen für die Versorgung mit Druckluft, sowie eine oder mehrerer Misch-Einheiten enthalten. Die Misch-Einheiten sind derart gestaltet, um Partikel mit einer vorbestimmten Dichte oder Konzentration in den Luftstrom (oder irgend ein anderes Gas) einzubringen. Ausserdem können die Misch-Einheiten angepasst werden um verschiedene Partikeldichten oder Konzentrationen einzustellen, sodass der resultierende Partikelstrom vorherbestimmte, bzw. variable Partikelverhältnisse der verschiedenen Partikel (Komponenten von 3D-Druckmaterialien) enthält.In addition, the 3D printing tool may include facilities for the supply of compressed air, as well as one or more mixing units. The mixing units are designed to introduce particles of predetermined density or concentration into the air stream (or any other gas). In addition, the mixing units can be adjusted to set different particle densities or concentrations so that the resulting particle stream contains predetermined or variable particle ratios of the various particles (components of 3D printing materials).

Die Art der Partikel welche für diesen Prozess eingesetzt werden ist im wesentlichen nicht beschränkt. Jede Art von Partikeln und Partikelmischung können für den 3D-Druckprozess verwendet werden. Beispielsweise kann die Menge an Partikeln pulverartig, granulatartig, faserartig, oder sogar als flüssiges 3D-Druckmaterial konstituiert sein und die Zuführeinheit dementsprechend rohrartige Strukturen enthalten um das Partikelmaterial zu leiten. Die Zuführeinheit kann wiederrum eine Düsen-Einheit enthalten um das Partikelmaterial zu applizieren. Daher ist eine weitere Ausführungsform der Zuführeinheit konfiguriert um das 3D-Druckmaterial in einen Gasstrom einzubringen. Die Zuführeinheit kann desweiteren einen Hohlraum an einer Stelle enthalten, wo das 3D-Druckmaterial in einen Gasstrom eingebracht wird. Der Hohlraum kann Teil eines Hohlraumresonators sein, sodass das staubartige 3D-Druckmaterial welches als Pulver, Fasern, Granulat, etc. den Hohlraum durchquert durch die Strahlung innerhalb des Hohlraumresonators erhitzt wird. Um eine ausreichende Erwärmung sicherzustellen, kann ebenso die Strömgeschwindigkeit der Partikel oder des Staubs angepasst werden. Dies kann beispielsweise duch Steuerung des Luftdruckes (Luftstromes) erreicht werden, welcher das staubartige, oder pulverartige Material transportiert, oder durch Anpassung des Durchmessers des Hohlraumes, oder Anpassung der Leistung der elektromagnetischen Strahlung, oder durch Anpassung der Grösse des Areales innerhalb dessen Strahlung und Partikel interagieren. In einer weiteren Ausführungsform ist ein spezielles Pulver-Durchsatz-Steuergerät für die exakte Kontrolle der Partikelmenge/Partikeldichte enthalten.The type of particles used for this process is essentially not limited. Any type of particle and particle mixture can be used for the 3D printing process. For example, the amount of particles may be powdery, granular, fibrous, or even liquid 3D printed matter, and the delivery unit may accordingly include tubular structures for directing the particulate matter. The feed unit can in turn contain a nozzle unit in order to apply the particulate material. Therefore, another embodiment of the delivery unit is configured to introduce the 3D printing material into a gas stream. The delivery unit may further include a cavity at a location where the 3D printing material is introduced into a gas stream. The cavity may be part of a cavity resonator so that the 3D dust-like printing material, which as powder, fibers, granules, etc. traverses the cavity is heated by the radiation within the cavity resonator. To ensure sufficient heating, the flow velocity of the particles or the dust can also be adjusted. This can be achieved, for example, by controlling the air pressure (airflow) which carries the dusty or powdery material, or by adjusting the diameter of the cavity, or adjusting the power of the electromagnetic radiation, or by adjusting the size of the area within its radiation and particles to interact. In another embodiment, a special powder throughput controller is included for precise control of particulate density / particle density.

Für spezielle Anwendungsfälle hingegen mag es von Vorteil sein wenn die Heizleistung hauptsächlich durch das Transportmedium für die partikelartigen 3D-Druckmaterialien (bspw. erhitzter Luftstrom) zur Verfügung gestellt wird. Dementsprechend bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf 3D-Druckwerkzeuge, welche konfiguriert sind um ein partikelartiges 3D-Druckmaterial durch den Luftstrom selbst zu erhitzen was schliesslich die Formung des Werkstückes ermöglicht. Ebenso enthät dieses 3D-Druckwerkzeug eine Zuführeinheit für die Bereitstellung des Druckmaterials für den 3D-Druck, sowie eine Misch-Einheit, welche derart gestaltet ist, dass das partikelartige Druckmaterial mit der erhitzten Luft (oder ein anderes Gas) vermengt wird. Hierbei wird die Luft (oder ein anderes Gas) ausreichend erhitzt um das 3D-Druckmaterial in Folge derart zu erhitzen, sodass es, während es durch die Versorgunseinheit zur Verfügung gestellt wird, mit dem zu formenden Werkstück verschmilzt. Bei dieser Umsetzung stellt das Erhitzen mittels Strahlung eine Zusatzoption dar. Allerdings sollte die Strecke entlang derer die Partikel durch das erhitzte Gas transportiert werden ausreichend lang sein, bzw. genügend Zeit gelassen werden, um eine ausreichende Wärmeübertragung von der Luft (Gas) zu den Partikeln des 3D-Druckmaterials zu gewährleisten. Die Kombination einer Vorheizung (durch Luft) und einer zusätzlichen Nachheizung durch Strahlung eröffnet den Weg zu einer verbesserten Prozesskontrolle da beispielsweise das Risiko einer vorzeitigen Abkühlung der Partikel vor dem Kontakt mit dem Werkstück reduziert wird.For special applications, however, it may be advantageous if the heating power is provided mainly by the transport medium for the particle-like 3D printing materials (eg heated air flow). Accordingly, the present invention also relates to 3D printing tools that are configured to heat a particulate 3D printing material by the air stream itself, ultimately allowing the workpiece to be formed. Also, this 3D printing tool includes a feeding unit for supplying the printing material for 3D printing, and a mixing unit configured to mix the particulate printing material with the heated air (or other gas). Here, the air (or other gas) is heated sufficiently to heat the 3D printing material in succession so that, while being provided by the supply unit, it fuses with the work to be formed. In this implementation, heating by radiation is an additional option. However, the distance along which the particles are transported by the heated gas should be sufficiently long, or enough time allowed, for sufficient heat transfer from the air (gas) to the particles to ensure the 3D printing material. The combination of preheating (by air) and additional reheating by radiation opens the way to improved process control because, for example, the risk of premature cooling of the particles prior to contact with the workpiece is reduced.

Ausserdem löst diese Umsetzung das vorhergehend angesprochene Problem, dass wesentlich mehr Material für den 3D-Druckprozess benötigt wird, als schliesslich im eigentlichen fertigen Werkstück verarbeitet ist. Stattdessen sind die Partikel ausreichend vorgeheizt sodass Diese sicher mit dem Werkstück an einer Stelle verschmelzen.Moreover, this implementation solves the above-mentioned problem that much more material is needed for the 3D printing process than is finally processed in the actual finished workpiece. Instead, the particles are sufficiently preheated so that they fuse securely with the workpiece in one place.

Bei dieser Ausführungsform können die Partikel in einem Gasstrom irgend eines Gases (bspw. Luft, oder inertes Gas) verteilt werden, und die Partikel können sich aus einer Anzahl verschiedener Materialien zusammensetzen, welche gemischt, und in den Luftstrom eingebracht werden. Beispielsweise kann nach Einmischen eines ersten 3D-Druckmaterials in Luft, eine weitere Komponente des 3D-Druckmaterials eingebracht werden, sodass ein Komposit aus verschiedenen Materialien in einem vorherbestimmten oder ausgewählten Mischungsverhältnis vermengt werden kann. Die Verwendung eines inerten Gases kann für diejenigen Anwendungen von besonderem Vorteil sein, bei welchen das Werkstück ansonstem einem Oxidationsprozess (oder anderen Prozessen oder chemischen Reaktionen welche durch die Erhitzung begünstigt werden würden) unterworfen wäre und das inerte Gas in der Umgebung mögliche unerwünschte chemische Reaktionen unterdrücken könnte. Andererseits wird auch die Möglichkeit in Erwägung gezogen, Sauerstoff oder Luft zu verwenden um einen kontrollierten Oxidationsprozess in Gang zu setzen um die Oberfläche des Werkstückes in einem erwünschten Maße zu verändern, möglicherweise in Verbindung mit Exponierung gegenüber Hitze (bspw. um die Oberfläche zu härten). Das Definieren von leitenden Elementen und nicht leitenden Sektionen (bspw. Oxidschicht) kann für das 3D-Drucken von Stromkreisen und/oder Metall/Oxid-Schichten von von Vorteil sein.In this embodiment, the particles may be dispersed in a gas stream of any gas (eg, air, or inert gas), and the particles may be composed of a number of different materials which are mixed and introduced into the air stream. For example, after blending a first 3D printing material in air, another component of the 3D printing material may be introduced so that a composite of different materials may be blended in a predetermined or selected mixing ratio. The use of an inert gas may be of particular advantage for those applications where the workpiece is otherwise subject to an oxidation process (or other processes or chemical reactions which would be favored by the heating) and the inert gas in the environment could suppress any undesirable chemical reactions. On the other hand, the possibility of using oxygen or air to initiate a controlled oxidation process to alter the surface of the workpiece to a desired extent, possibly in conjunction with exposure to heat (eg, to harden the surface), is also contemplated. , Defining conductive elements and non-conductive sections (eg, oxide layer) may be advantageous for 3D printing of circuits and / or metal / oxide layers.

Obwohl das Erhitzen nur einer Komponente der Anzahl an Materialien ausreichend sein mag, ermöglicht das Erhitzen des Transport-Gasstromes den Vorteil, dass alle Komponenten gleichzeitig Erhitzt werden können. Dadurch ist es bei dieser Ausführungsform möglich auch andere 3D-Druckmaterialien in Erwägung zu ziehen, welche ansonsten kaum durch Strahlung erhitzt werden können. Trotzdem kann das 3D-Druckwerkzeug in einer weiteren Ausführungsform eine zusätzliche Strahlungsheizung enthalten, welche geeignet ist, mindestens eine Komponente des 3D-Druckmaterials zu erhitzen. Dementsprechend kann diese Ausführungsform mit den vorherig dargestellten Ausführungsformen kombiniert werden. Bei einer weiteren Ausführungsform ermöglicht die Luftheizung eine Vorheizung und die Strahlungsheizung wird weiterhin durchgeführt, kann jedoch mit geringerer Intensität betrieben werden, um einen Phasenwechsel der Partikel zu unterstützen, wenn/wo die Partikel auf das Werkstück treffen um damit eine feine Justage des 3D-Druckprozesses zu ermöglichen.Although heating only one component of the number of materials may be sufficient, heating the transport gas stream allows the advantage that all components can be heated simultaneously. As a result, in this embodiment it is also possible to consider other 3D printing materials which otherwise can hardly be heated by radiation. Nevertheless, in another embodiment, the 3D printing tool may include an additional radiant heater suitable for heating at least one component of the 3D printing material. Accordingly, this embodiment can be combined with the previously illustrated embodiments. In another embodiment, the air heater allows preheating, and the radiant heating is still performed, but may be operated at a lower intensity to help phase change the particles when / where the particles strike the workpiece to fine-tune the 3D printing process to enable.

Luft oder ein beliebigies anderes Gas kann erhitzt werden bevor die Partikel darin verteilt werden, oder die Partikel könnnen hiernach erhitzt werden (bspw. durch die Strahlungsheizung). Der Anwendungsfall wobei die Partikel selbst erhitzt, jedoch nicht die umgebende Luft, erlaubt den vorteilhaften Effekt, dass bei Aufschlag des 3D-Druckmaterials auf das Werkstück, die resultierende Geschwindigkeitsfifferenz zwischen den Partikeln auf dem Werkstück und der vorbeiströmenden Luft ein Kühlungseffekt des noch erhitzen 3D-Druck Materiales zustande kommt. Es muss hierbei verstanden werden, dass dieser Kühlungseffekt hauptsächlich ab dem Moment, in dem die Partikel auf das Werkstück treffen auftritt, – nicht jedoch während die Partikel im Luftstrom, während des Transports, schweben. Während des Partikelflusses gibt es nur keine oder nur eine sehr geringe Relativbewegung zwischen der umgebenden Luft und den Partikeln des Partikelstroms. Da Luft einen guten thermischen Isolator darstellt (solange Konvektionsberwegungen unterdrückt werden), erlaubt die Luft des Luftstromes eine thermische Isolation sodass die Partikel sich kaum abkühlen können. Als Ergebnis transportiert und isoliert der Luftstrom nicht nur die erhitzten Partikel, sondern kühkt auch die Partikel nach dem Aufschlag auf dem Werkstück und beschleunigt dadurch den Aushärtungsprozess.Air or any other gas may be heated before the particles are dispersed therein, or the particles may thereafter be heated (eg, by radiant heating). The application case where the particles themselves are heated, but not the surrounding air, allows the advantageous effect that upon impact of the 3D printing material on the workpiece, the resulting velocity difference between the particles on the workpiece and the passing air, a cooling effect of the still heated 3D Printing material comes about. It must be understood here that this cooling effect mainly occurs from the moment when the particles hit the workpiece, but not during the particles float in the air stream, during transport. During the particle flow, there is no or only a very small relative movement between the surrounding air and the particles of the particle stream. Since air is a good thermal insulator (as long as convection bypasses are suppressed), the air stream's air allows thermal isolation so the particles can barely cool. As a result, the air flow not only transports and insulates the heated particles, but also cools the particles upon impact on the workpiece, thereby accelerating the curing process.

Die Vielzahl der Komponenten kann beispielsweise Carbon Partikel und einen Polymer beinhalten. Die Strahlung (Wellenlänge) kann derart gewählt werden, dass beispielsweise nur das Carbon (bspw. Mikrowellenstrahlung) erhitzt wird, jedoch nicht der Polymer. Zusätzlich kann der Carbonstaub als Bindemittel für das Polymerpulver dienen, da es Hitze an den Polymer überträgt und nachfolgend miteinander verschmilzt. Als Ergebnis wird das geformte Werkstück aus einem Komposit aus verschiedenen Materialien bestehen, welche durch den 3D-Druck Prozess einen Festkörper bilden. Bei dem Vergleich dieses Prozesses zu konventionellen Prozessen bei denen alle Materialien gleichermaßen erhitzt werden, zeigen Ausführungen der vorliegenen Erfindung zusätzlich den Vorteil, dass weniger Energie benötigt wird. Ausserdem kann der Anteil der enthaltenen Bestandteile frei eingestellt werden, sodass nahezu jedes Material-Mischungsverhältnis möglich wird. Dies sogar in einem kontinuierlichen Prozess, ohne dafür den 3D-Druckprozess stoppen zu müssen.The plurality of components may include, for example, carbon particles and a polymer. The radiation (wavelength) can be chosen such that, for example, only the carbon (for example microwave radiation) is heated, but not the polymer. In addition, the carbon dust can serve as a binder for the polymer powder because it transfers heat to the polymer and subsequently melts together. As a result, the molded workpiece will be made of a composite of various materials that form a solid through the 3D printing process. In comparing this process to conventional processes where all materials are heated equally, embodiments of the present invention additionally have the advantage of requiring less energy. In addition, the proportion of contained components can be freely adjusted, so that almost any material mixing ratio is possible. Even in a continuous process, without having to stop the 3D printing process.

Daher ist bei einer weiteren Ausführungsform, die Misch-Einheit so aufgebaut um verschiedene Arten von Partikeln mit einem einstellbaren Verhältnis miteinander zu vermischen, wobei die Strahlungsheizung oder die erhitzte Luft so angeordnet ist, dass zumindest ein Anteil des gemischten Pulvers erhitzt wird um das 3D-Druckmaterial nach der Anlagerung mit dem Werkstück zu verschmelzen.Therefore, in another embodiment, the mixing unit is configured to mix different types of particles with an adjustable ratio with each other, wherein the radiant heater or the heated air is arranged so that at least a portion of the mixed powder is heated to the 3D Merge printing material after the deposition with the workpiece.

Es sind viele verschiedene Materialien geeignet für eine Verwendung bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise kann die Misch-Einheit derart aufgebaut sein um mindestens eines der folgenden Materialien als 3D-Druckmaterial bereitzstellen: Plastik/Kunststoffe, Keramiken, Metalle, Glas, Mineralien, Polymere, oder eine Mischung dessen, oder irgend ein anderes Material welches vom Gasstrom getragen werden kann. Beispielsweise kann das 3D-Druckmaterial auch Tröpfchen oder Harze mit oder ohne ergänzende Wassertröpchen, welche durch das transportierende Gas getragen und auf dem Werkstück verschmelzen (oder aushärten, oder abbinden). Darüberhinaus ist die Mischeinheit bei einer weiterern Ausführungsform derart aufgebaut, dass das Verhältnis der verschiedenen Partikel eingestellt werden kann während die Zuführeinheit das gemischte 3D-Druckmaterial bereitstellt.Many different materials are suitable for use in embodiments of the present invention. For example, the blending unit may be constructed to provide at least one of the following materials as 3D printing material: plastics, ceramics, metals, glass, minerals, polymers, or a mixture thereof, or any other material carried by the gas stream can. For example, the 3D printing material may also include droplets or resins with or without supplemental water droplets carried by the transporting gas and fusing (or hardening or setting) on the workpiece. Moreover, in a further embodiment, the mixing unit is constructed such that the ratio of the different particles can be adjusted while the feed unit provides the mixed 3D printing material.

Ausserdem kann die dargestellte Mikrowellenheizung auch für andere Materialien verwendet werden, beispielsweise auf Beton um das Abbinden zu beschleunigen. Die Strahlungsheizung kann auch für andere hydraulische Abbindeprozesse verwendet werden, oder um katalytische oder chemische Aushärte-, oder Abbindeprozesse zu beschleunigen, oder in Gang zu setzen. Daher deckt das beschriebene 3D-Druckverfahren auch mögliche weitere 3D-Druckmaterialien wie zementöse Materialien oder Flüssigkeiten (bspw. Harze) ab, welche als Ergebnis der Strahlungsexposition aushärten.In addition, the illustrated microwave heating can also be used for other materials, such as concrete on the Accelerate setting. Radiant heating may also be used for other hydraulic setting processes, or to accelerate or initiate catalytic or chemical curing or setting processes. Therefore, the described 3D printing process also covers possible further 3D printing materials, such as cementitious materials or liquids (for example, resins), which cure as a result of radiation exposure.

Weitere Ausführungsformen enthalten einen Aufhängering um die Versorgunseinheit relativ zum Werkstück zu bewegen. Beispielsweise kann die Zuführeinheit oder die Düse kardanisch aufgehängt sein, oder auf einem Hexapod (Stewart Platform) befestigt sein. Der Tragbügel kann mit einer Antriebseinheit für mindestens eine kartesianische Achse, möglichweise Teil einer kartesianischen Achskonfiguration kombiniert werden. Beispielsweise kann das 3D-Druckwerkzeug linear entlang einer Achse parallel zum Werkstück bewegt werden, während es quer zu einer Achse vor- und zurück gedreht wird und dabei eine grössere Fläche des Werkstückes abdeckt. Der Tragbügel oder Hexapod kann auch derart aufgebaut sein, dass die Zuführeinheit in zwei unterschiedliche unabhängige Richtungen gedreht werden kann und dadurch den Materialfluss (Partikelfluss) in zwei oder mehrere Querrichtungen geleitet werden kann, ohne dafür die gesamte Zuführeinheit über die Oberfläche des Werkstückes bewegen zu müssen.Other embodiments include a suspension ring to move the supply unit relative to the workpiece. For example, the delivery unit or nozzle may be gimbaled or mounted on a hexapod (Stewart Platform). The mounting bracket can be combined with a drive unit for at least one Cartesian axis, possibly part of a Cartesian axis configuration. For example, the 3D printing tool can be moved linearly along an axis parallel to the workpiece while being rotated back and forth across an axis, covering a larger area of the workpiece. The support bracket or hexapod may also be configured such that the delivery unit can be rotated in two different independent directions and thereby direct material flow (particle flow) in two or more transverse directions without having to move the entire delivery unit over the surface of the workpiece ,

Die kardanische Aufhängung ermöglicht die folgenden Vorteile: Das 3D-Druckwerkzeug kann einen Materialspeicher mit einer gewissen Masse enthalten, oder die Mischeinheit und Strahlungsheizung alleine können zu schwer sein um schnell beschleunigt zu werden, wie es das Einbeschreiben und Abdecken der Werkstück-Geometrie in einer kurzen Zeit erfordern würde. Daher kann es schwierig sein, dass 3D-Druckwerkzeug schnell entlang eines komplexen Pfades oberhalb der Oberfläche des Werkstückes zu bewegen. Wenn die kardanische Aufhängung eingesetzt wird, kann eine grobe Positionierung mittels der Kartesischen Achsenkonfiguration oder eines Roboterarmes vorgenommen werden, während die Feinpositionierung mittels der Düse welche auf der kardanischen Aufhängung oder dem Hexapod montiert ist. Globale und Feinpositionierung des 3D-Druckwerkzeuges könnten aufeinander abgestimmt werden. Dies ermöglicht einen schnellen 3D-Druckprozess bei gleichzeitiger Reduktion der mechanischen Beanspruchung, welche auftreten würde wenn das Werkzeug mit seinem höheren Trägheistmoment mit schnellen Geschwindigkeitsänderungen und Richtungsänderungen über der Oberfläche des Werkstückes bewegt werden müsste.Cardanic suspension provides the following advantages: The 3D printing tool can contain a material store of some mass, or the mixing unit and radiant heater alone can be too heavy to be accelerated quickly, such as inscribing and covering the workpiece geometry in a short time Would require time. Therefore, it may be difficult for the 3D printing tool to move quickly along a complex path above the surface of the workpiece. When the cardanic suspension is used, coarse positioning can be done by means of the Cartesian axis configuration or a robotic arm, while the fine positioning is done by means of the nozzle mounted on the gimbal or hexapod. Global and fine positioning of the 3D printing tool could be coordinated. This allows a fast 3D printing process while reducing the mechanical stress that would occur when the tool with its higher moment of inertia would have to be moved over the surface of the workpiece with rapid changes in speed and directional changes.

Ausserdem erlaubt die kardanische Aufhängung die Möglichkeit das Material lokal mit unterschiedlichen Intensitäten zu verteilen. Beispielsweise kann durch Änderung der Geschwindigkeit der kartesischen Bewegung (Translation) entlang einer Achse die Dicke der Schichtanlagerung variiert werden. Im Speziellen kann das Material entlang eines Zick Zack Bewegungspfades aufgetragen werden, während die Achskonfiguration sich entlang einer Geraden bewegt. Dies beschleunigt den 3D-Druckprozess da eine grösserere Fläche mit nur einem Bewegungspfad entlang einer Achse abgedeckt werden kann. Desweiteren ist es möglich, dass der Luftstrom konzentriert (beispielsweise entlang der Werkstück-Aufbaurichtung) oder auseinanderlaufend (bspw. entlang einer Oberfläche für Feinbearbeitung) abgegeben wird. Das Gleiche gilt für die elektromagnetische Strahlung. Die Konzentration oder das Auseinanderlaufen kann mittels eines entsprechenden Düsenaufbaus erreicht werden, welcher einen Dispersionswinkel produziert entlang dessen der Partikelstrom verteilt wird.In addition, the gimbal suspension allows the possibility to distribute the material locally with different intensities. For example, by changing the speed of the Cartesian motion (translation) along an axis, the thickness of the layer attachment can be varied. Specifically, the material may be applied along a zig-zag motion path while the axis configuration moves along a straight line. This speeds up the 3D printing process because a larger area can be covered with only one path of travel along an axis. Furthermore, it is possible for the air stream to be concentrated (for example along the workpiece mounting direction) or divergent (for example along a surface for fine machining). The same applies to the electromagnetic radiation. Concentration or divergence can be achieved by means of a corresponding nozzle assembly which produces a dispersion angle along which the particle stream is distributed.

Bei einer weiteren Ausführungsform enthält die Zuführeinheit Vorrichtungen für die Versorgung mit zusätzlicher kalter Luft, wobei der kalte Luftstrom in eine andere Richtung als die strahlungserhitzten Partikel oder das Filament geleitet wird. Dies erlaubt eine nachfolgende Kühlung des Werkstückes durch kühle Luft, nach Anlagerung von Material durch den Partikelstrom um den Aushärtungsprozess des Werkstückes zu beschleunigen. Es ist auch möglich das Werkstück oder einen Teil dessen im Vorfeld des Aufschlages der Partikel auf die Materialschicht zu erwärmen. Dies erlaubt den Vorteil dass die Bindung der Partikel oder Fasern mit dem Werkstück unterstützt wird, da die Partikel leichter mit der oberen Schicht der Oberfläche des Werkstückes verschmelzen und sich mit dem Werkstück verbinden.In another embodiment, the delivery unit includes means for supplying additional cold air, wherein the cold air flow is directed in a direction other than the radiation heated particles or filament. This allows subsequent cooling of the workpiece by cool air to accelerate after accumulation of material by the particle flow to the curing process of the workpiece. It is also possible to heat the workpiece or a part thereof in advance of the impact of the particles on the material layer. This allows the advantage of aiding the binding of the particles or fibers to the workpiece as the particles more readily fuse with the top layer of the surface of the workpiece and bond to the workpiece.

Das 3D-Druckwerkzeug kann eine Kontrolleinheit beinhalten, mit welcher eine Vielzahl der Parameter, von welchen der 3D-Druckprozess abhängig ist, gesteuert werden können. Beispielsweise kann die Kontrolleinheit derart aufgebaut sein, um die Menge der mit Luft zu vermischenden Partikel, oder das Verhältnis der verschiedenen Partikel zu steuern. Ausserdem kann die Kontrolleinheit aufgebaut sein um den Druck der komprimierten Luft, welche der Mischeinheit zugeführt wird zu steuern. Zusätzlich kann die Kontrolleinheit aufgebaut sein um die Temperatur der erhitzten Partikel des Partikelstromes zu steuern. Die Temperatur der Partikel kann mittels der Messung der Wärmestrahlung der erhitzten Partikel ermittelt werden. Die Wärmemenge kann mittels der Strahlungsheizung, beispielsweise durch Variation der Strahlungsintensität reguliert werden. Ausserdem kann die Kontrolleinheit aufgebaut sein um die Geschwindigkeit mittels derer sich das 3D-Druckwerkzeug entlang der Oberfläche des Werkstückes bewegt, zu kontrollieren. Es ist zudem möglich einen Regelkreis zu etablieren um trotz der nötigen Komplexität des 3D-Druckprozesses eine Prozesstbilität zu erzielen.The 3D printing tool may include a control unit with which a plurality of the parameters on which the 3D printing process depends can be controlled. For example, the control unit may be constructed so as to control the amount of particles to be mixed with air, or the ratio of the various particles. In addition, the control unit may be constructed to control the pressure of the compressed air supplied to the mixing unit. In addition, the control unit may be constructed to control the temperature of the heated particles of the particle stream. The temperature of the particles can be determined by measuring the heat radiation of the heated particles. The amount of heat can be regulated by means of radiation heating, for example by varying the radiation intensity. In addition, the control unit may be constructed to control the speed by which the 3D printing tool travels along the surface of the workpiece. It is also possible to establish a control loop in spite of the necessary Complexity of the 3D printing process to achieve process stability.

Im Besonderen ist bei einer weiteren Ausführungsform die Steuereinheit derart aufgebaut um mindestens Folgendes zu steuern: Die Versorgung mit Druckluft zur Zuführeinheit, die Erhitzung welche durch die Strahlungsheizung erfolgt, die Dichte mindestens einer Komponente des 3D-Druckmaterials und daraus folgend im Speziellen die Zusammensetzung des Werkstückes.In particular, in another embodiment, the control unit is configured to control at least the following: the supply of compressed air to the feed unit, the heating by the radiant heating, the density of at least one component of the 3D printing material, and consequently the composition of the work piece ,

Die Vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Filamentbündel welches als 3D-Druckmaterial in einem 3D-Druckwerkzeug verwendet wird. Das Filamentbündel kann umfassen: einen Kern; und zumindest ein Filament welches um den Kern gewickelt ist (bspw. Spiralförmig). Das Filament kann einen Kern eines bestimmten Materiales und umwickeltes Filament umfassen, wobei zumindest ein Material sich vom Material des Kernes unterscheidet. Zusätzlich kann ein Filament ein bestimmtes Material, und ein anderes Filament ein anderes Material aufweisen. Beide können um den Kern gewickelt werden.The present invention also relates to a filament bundle which is used as 3D printing material in a 3D printing tool. The filament bundle may include: a core; and at least one filament wound around the core (eg, spiral). The filament may comprise a core of a particular material and wrapped filament, wherein at least one material is different from the material of the core. In addition, one filament can have a certain material and another filament another material. Both can be wrapped around the core.

Filamentbündel sind im Speziellen von Vorteil, wenn kombiniert mit einer Strahlungsheizung aus einem gewissen Abstand. Beispielsweise ist es möglich die Filamente, lokal, nur an bestimmten Stellen oder Punkten zu erhitzen ohne dabei eine ganze Region zu erwärmen, da die Düse selbst kaum eine termische Trägheit besitzt. Daher können die Eigenschaften des Filamentes (bspw. entweder in geschmolzenem, oder in flexiblem Zustand) schnell verändert werden, sodass das Werkstück mit regional unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften (bspw. teilweise flexibles Werkstück an bestimmten Stellen) produziert werden kann. Die Flexibilität kann dementsprechend den Anforderungen der Produktgestaltung angepasst werden. Im Speziellen wird es möglich textil-artige Materialien mit Flexibilität entlang mindestens einer Achse zu drucken.Filament bundles are particularly advantageous when combined with a radiant heater from a certain distance. For example, it is possible to heat the filaments, locally, only at certain locations or points without heating a whole region, since the nozzle itself hardly has a thermal inertia. Therefore, the properties of the filament (for example, either in a molten state or in a flexible state) can be changed quickly, so that the workpiece can be produced with regionally different physical properties (eg partially flexible workpiece at certain points). The flexibility can accordingly be adapted to the requirements of the product design. In particular, it becomes possible to print textile-like materials with flexibility along at least one axis.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich desweiteren auf eine Methode des 3D-Druckes mittels der folgenden Schritte: Versorgung des 3D-Druckmateriales für das Drucken; Sowie selektiver Erhitzung des Druckmateriales durch Bestrahlung des Druckmateriales mit einer Strahlung, welche ausreichend ist das Druckmaterial zu verschmelzen während das Druckmaterial dem zu formenden Werkstück zugeführt wird. Sodass das Druckmaterial sich durch Erhitzung verbindet oder verschmilzt um das Werkstück (Objekt) zu bilden.The present invention further relates to a method of 3D printing by the following steps: supplying the 3D printing material for printing; And selectively heating the printing material by irradiating the printing material with a radiation sufficient to fuse the printing material while the printing material is being fed to the workpiece to be molded. So that the printing material combines by heating or fuses to form the workpiece (object).

Dieser Prozess kann auch zumindest teilweise, in einer Software oder einem Computerprogramm implementiert werden, wobei die Abfolge der einzelnen Schritte nicht entscheidend ist, um den erwünschten Effekt zu erzielen.This process may also be implemented, at least in part, in a software or computer program, the sequence of individual steps not being critical to achieving the desired effect.

Kurze Beschreibung der DarstellungenShort description of the illustrations

Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden ausschliesslich exemplarisch, und im Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben.Various embodiments of the present invention will now be described by way of example only, and with reference to the accompanying drawings.

1 Stellt ein 3D-Druckwerkzeug entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar; 1 Represents a 3D printing tool according to an embodiment of the present invention;

2 Stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, basierend auf einem Filament, welches as 3D-Druckmaterial verwendet wird; 2 Figure 1 illustrates an embodiment of the present invention based on a filament used as 3D printing material;

3 Stellt eine Führungseinrichtung mit verringerter Reibung für das Filament entsprechend einer Ausführungsform dar; 3 Provides a reduced friction guide means for the filament according to an embodiment;

4 Stellen weitere Ausführungsformen für verschiedene Strahlungsheizungen dar; 4 Represent further embodiments for different radiant heaters;

5 Stellen Ausführungsformen für verschiedene Filamente für den 3D-Druck dar; 5 Illustrate embodiments for various filaments for 3D printing;

6 Stellen Ausführungsformen der Filamente, welche als Bündel geformt sind dar; 6 Illustrate embodiments of the filaments formed as bundles;

7 Stellen eine weitere Ausführungsform der gebündelten Filamente dar; 7 Figure 5 illustrates another embodiment of the bundled filaments;

8 Stellen eine Ausführungsform einer Strahlungsheizung eines Partikelstromes in einer Kammer dar; 8th Represent an embodiment of a radiant heating of a particle stream in a chamber;

9 Stellen weitere Ausführungsformen für die Verwendung eines Partikelstromes dar um das Werkstück 3D zu drucken; 9 Illustrate further embodiments for the use of a particle stream to print the workpiece 3D;

10 Stellen eine weitere Ausführungsformen für das 3D-Druckwerkzeug dar; 10 Represent a further embodiments for the 3D printing tool;

11 Stellen Ausführungsformen mit Rückkoppelungsteuerung dar; 11 Illustrate embodiments with feedback control;

12 Stellen weitere Ausführungsformen mit zusätzlichen optionalen Komponenten dar; 12 Illustrate further embodiments with additional optional components;

13 Stellen Ausführungsformen mit einer unter Druck gesetzten Materialspeicherkammer dar; 13 Illustrate embodiments having a pressurized material storage chamber;

14 Stellen Ausführungsformen für das 3D-Druckwerkzeug mit einer Mikrowellenheizung dar; 14 Illustrate embodiments for the 3D printing tool with a microwave heater;

15 Stellen Ausführungsformen für eine Strahlungsheizung des Partikelstromes dar; 15 Represent embodiments for a radiation heating of the particle stream;

16 Illustrieren wie die vorgeheizten Partikel und/oder Fasern sich verbinden um das Werkstücl zu formen; 16 Illustrate how the preheated particles and / or fibers combine to form the workpiece;

17 Illustrieren zwei mögliche Geschwindigkeitsverteilungen von Partikeln in einem Luftstrom; 17 Illustrate two possible velocity distributions of particles in a stream of air;

18 Stellen Ausführungsformen mit einer zuätzlichen drehbaren Düse dar; 18 Illustrate embodiments with an additional rotatable nozzle;

19 Stellt eine geschlossene Umgebung für das 3D-Druckwerkzeug entsprechend weiterer Ausführungsformen dar; 19 Represents a closed environment for the 3D printing tool according to further embodiments;

20 Stellt eine beispielsweise Zusammenstellung von Düsen/Heizern dar, welche durch eine zentrale Steuerung entsprechend weiterer Ausführungsformen gesteuert wird; 20 Represents an example compilation of nozzles / heaters which is controlled by a central controller according to further embodiments;

21 Stellt eine Methode für den 3D-Druck entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. 21 Represents a method for 3D printing according to an embodiment of the present invention.

Ausführliche BeschreibungDetailed description

1 Stellt ein 3D-Druckwerkzeug entsprechend der vorliegenden Erfindung dar. Das 3D-Druckwerkzeug ist derart aufgebaut um 3D-Druckmaterial110 zu verarbeiten, welches durch Erhitzen verschmilzt und dadurch das Werkstück200 formt. Das Werkzeug besteht aus einer Zuführeinheit300 um das 3D-Druckmaterial110 dem 3D-Druckprozess (Herstellung von 3D Objekten) zuzuführen, sowie einer Strahlungsheizung400 für das selektive Erhitzen des 3D-Druckmateriales200, ausreichend um das 3D-Druckmaterial zu verschmelzen, während das erhitzte 3D-Druckmaterial120 durch die Zuführungseinheit300 dem zu formenden Werkstück200 zugeführt wird. 1 Represents a 3D printing tool according to the present invention. The 3D printing tool is constructed by3D printing material 110 to process, which melts by heating and thereby theworkpiece 200 shaped. The tool consists of afeed unit 300 around the3D printing material 110 the 3D printing process (production of 3D objects) to supply, as well as aradiant heater 400 for the selective heating of the 3D printedmaterial 200 , enough to fuse the 3D printing material while the heated3D printing material 120 through thefeeding unit 300 the workpiece to be formed 200 is supplied.

2 Zeigt ein 3D-Druckwerkzeug entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das 3D-Druckmaterial110 ein Filament darstellt, welches von einer Strahlung120 erhitzt wird. Das 3D-Druckwerkzeug enthält einen Filamentspeicher105, einen Filamentantrieb360, eine Filamentführung370 und einen Mikrowellengenerator410. Der Filamentspeicher105 speichert das Filament110 welches dem Filamentantrieb360 zugeführt wird, welcher Vorrichtungen zum Vortrieb des Filamentes110 enthält. Nach Passieren der Filamentführung370 wird das Filament110 durch den Mikrowellengenerator410 erhitzt, welcher derart aufgebaut ist um eine Mikrowellenstrahlung120 zu erzeugen, welche zum Filament110 geleitet wird. Das erhitzte Filament wird dem Werkstück200 zugeführt um ein 3D-gedrucktes Objekt zu formen. Der Mikrowellengenerator410 ist bei dieser Ausführungsform gestaltet um die Strahlung derart abzugeben, sodass das Filament110 ausserhalb der Filamentführung370 (welche Teil der Zuführeinheit300 von1 sein kann) zu erhitzen, oder an einer Position an welcher das Filament110 in Kontakt (oder kurz davor) mit dem Werkstück200 kommt, um den dreidimensionalen Druck zu formen. 2 Shows a 3D printing tool according to an embodiment of the present invention, wherein the3D printing material 110 represents a filament, which is aradiation 120 is heated. The 3D printing tool contains afilament memory 105 , afilament drive 360 , afilament guide 370 and amicrowave generator 410 , Thefilament storage 105 saves thefilament 110 which is thefilament drive 360 is supplied, which devices for propelling thefilament 110 contains. After passing thefilament guide 370 becomes thefilament 110 through themicrowave generator 410 heated, which is so constructed by amicrowave radiation 120 to produce, which to thefilament 110 is directed. The heated filament becomes theworkpiece 200 fed to form a 3D printed object. Themicrowave generator 410 is designed in this embodiment to deliver the radiation so that thefilament 110 outside the filament guide 370 (which part of thefeeder unit 300 from 1 can be) to heat, or at a position where thefilament 110 in contact (or shortly before) with theworkpiece 200 comes to shape the three-dimensional print.

Der Mikrowellengenerator410 ist ein Beispiel einer Strahlungsheizung300 aus1, und der Filamentantrieb360 sowie die Filamentführung370 sind Teil der Zuführeinheit300. Der Mikrowellengenerator410, der Filamentantrieb360 und die Filamentführung370 sind in ein 3D-Druckwerkzeug500 integriert, welches beispielsweise auf einem Roboterarm montiert ist, welcher aufgebaut ist das Filament110 über eine Oberfläche des Werkstückes200 zu bewegen um dadurch das dreidimensionale Werkstück zu formen. Mehrere Schichten angelagerten Materiales des Werkstückes210 können durch das vielfaches Bewegen des 3D-Druckwerkzeuges über dem Werkstück produziert werden.Themicrowave generator 410 is an example ofradiant heating 300out 1 , and thefilament drive 360 as well as thefilament guide 370 are part of thefeeder unit 300 , Themicrowave generator 410 , thefilament drive 360 and thefilament guide 370 are in a3D printing tool 500 integrated, which is mounted for example on a robot arm, which is built up thefilament 110 over a surface of theworkpiece 200 to move to thereby form the three-dimensional workpiece. Several layers of deposited material of the workpiece 210 can be produced by moving the 3D printing tool over the workpiece many times.

Der Filamentantrieb360 kann beispielsweise zwei Rollen enthalten, welche gegenläufig rotieren und die Antriebskraft für das Filament110 bereitstellen sobald das Filament110 zwischen den beiden sich drehenden Rollen eingespannt ist. Ein Motor kann die Rollen derart antreiben, dass das Filament110 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit zur Filamentführung370 bewegt wird.Thefilament drive 360 For example, it may contain two rollers which rotate in opposite directions and the driving force for thefilament 110 deploy once thefilament 110 is clamped between the two rotating rollers. A motor can drive the rollers such that thefilament 110 at a predetermined speed forfilament guidance 370 is moved.

Bei weiteren Ausführungsformen kann die Strahlungsheizung400 so aufgebaut sein, um eine hochenergetische elektromagnetische Strahlung wie γ-Strahlung oder Partikelstrahlung, oder irgend eine andere Art von Strahlung abzugeben, welche geeignet ist eine ausreichende Energie in das 3D-Druckmaterial110 zu übertragen, und welche durch das 3D-Druckmaterial110 aufgenommen wird.In further embodiments, theradiant heating 400 be constructed to emit high-energy electromagnetic radiation such as γ-radiation or particle radiation, or any other type of radiation which is suitable sufficient energy in the3D printing material 110 and through the 3D printedmaterial 110 is recorded.

3 stellt eine weitere Filamentführung380 entsprechend einer weiteren Ausführungsform dar. Bei dieser Ausführungsform enthält die Filamentführung380 Rollenführungen330 um das Filament110 derart zu leiten, sodass das Filament110 nicht in (direkten) Kontakt mit anderen Oberflächen oder Komponenten der Filamentführung380 (abgesehen von den Rollenführungen330) kommt. Die eine, oder mehrere Rollenführungen330 können entlang der Bewegungsrichtung des Filamentes110 angebracht sein, um das Filament110 zum Auslass der Filamentführung380 zu führen, ohne in Kontakt mit der Innenfläche der Filamentführung380 zu kommen. Dadurch ermöglichen die Rollenführungen330 den Vorteil einer Reduktion der Reibung zwischen Filament110 und der Filamentführung380. 3 provides anotherfilament guide 380 according to another embodiment. In this embodiment, the filament guide contains 380 roller guides 330 around thefilament 110 to guide so that thefilament 110 not in (direct) contact with other surfaces or components of the filament guide 380 (apart from the roller guides 330 ) comes. One or more roller guides 330 can be along the direction of movement of thefilament 110 be attached to thefilament 110 to the outlet of thefilament guide 380 to lead without being in contact with the inner surface of thefilament guide 380 get. This allows the roller guides 330 the advantage of reducing the friction betweenfilament 110 and thefilament guide 380 ,

Die Filamentführung380 kann desweiteren ein Filament-Vortriebsrad320 enthalten, welches mit einem Motor340 gekuppelt ist um das Filament-Vortriebsrad320 anzutreiben. Zusätzlich kann ein Gegendruckrad350 auf der gegenüberliegenden Seite des Filament-Vortriebsrades320 eingesetzt werden, sodass das Filament110 zwischen dem Filament-Vortriebsrad320 und dem Gegendruckrad350 gegriffen wird. Bei ausreichendem Druck wird das Filament110 durch Rotation des Filament-Vortriebsrades320, zum Werkstück200 bewegt.Thefilament guide 380 can furthermore afilament propulsion wheel 320 included with amotor 340 is coupled to thefilament Vortriebsrad 320 drive. In addition, acounter-pressure wheel 350 on the opposite side of thefilament propulsion wheel 320 be used so that thefilament 110 between thefilament propulsion wheel 320 and theback pressure wheel 350 is seized. When there is enough pressure, the filament will become 110 by rotation of thefilament propulsion wheel 320 , to theworkpiece 200 emotional.

Auch enthalt diese Ausführungsform eine Strahlungsheizung410, welche das 3D-Druckmaterial oder das Filament110, beispielsweise mit einer Mikrowellenstrahlung bestrahlt, welche geeignet ist vom 3D-Druckmaterial (dem Filament110) absorbiert zu werden. Zusätzlich leitet bei dieser Ausführungsform ein Mikrowellenleiter (Hohlraum)420 mit einem Mikrowellenauslass430, an einem Auslass der Filamentführung380, die Strahlung auf das Filament110. Das Filament110 kann erhitzt werden bevor es auf dem Werkstück200 angefügt wird, oder an einer Stelle wo das Filament110 mit dem Werkstück200 in Kontakt kommt.Also, this embodiment includes aradiant heater 410 which the 3D printing material or thefilament 110 For example, irradiated with a microwave radiation, which is suitable from the 3D printing material (the filament 110 ) to be absorbed. In addition, in this embodiment, a microwave conductor (cavity) conducts 420 with amicrowave outlet 430 at an outlet of thefilament guide 380 , the radiation on thefilament 110 , Thefilament 110 Can be heated before it is on theworkpiece 200 is attached, or at a point where thefilament 110 with theworkpiece 200 comes into contact.

Das Filament110 kann beispielsweise aus einem Carbon-Polymer-Komposit bestehen. Zusätzlich kann die Filamentführung380 in einem Gehäuse310 aufgenommen werden. Das Gehäuse310 kann mit dem Strahlungsgenerator410 mittels eines Paßstückes520 verbunden werden, und kann mit einer mittigen Stütze510 (bspw. parallel zum Filament110) zu einer kartesischen Achskonfiguration verbunden sein, welche das 3D-Druckwerkzeug über dem Werkstück200 positioniert oder bewegt.Thefilament 110 may for example consist of a carbon-polymer composite. In addition, thefilament guide 380 in ahousing 310 be recorded. Thehousing 310 can with theradiation generator 410 by means of afitting piece 520 can be connected, and can with a central support 510 (eg parallel to the filament 110 ) to a Cartesian axis configuration connecting the 3D printing tool over theworkpiece 200 positioned or moved.

Alle weiteren Komponenten dieser Ausführungsform sind ähnlich zur Ausführungsform von2 sodass eine Wiederholung der Beschreibung hier entfällt. Weitere strukturelle Details des Filamentes werden später in Bezug zu6 und7 beschrieben.All other components of this embodiment are similar to the embodiment of FIG 2 so that a repetition of the description is omitted here. Further structural details of the filament will be related later 6 and 7 described.

4a und4b zeigen weitere Ausführungsformen mit verschiedenen Strahlungsheizungen. 4a and 4b show further embodiments with different radiant heaters.

Bei4a wird das Filament110 durch Verwendung einer Mikrowellenstrahlung erhitzt, welche wiederrum durch einen Mikrowellengenerator410 erzeugt wird und von einem Mikrowellenleiter420 geleitet wird. Der Mikrowellengenerator410 ist wiederrum (wie in3) an einen Anschluss520 gekoppelt, welcher den Mikrowellengenerator410 mit der Antriebseinheit380 verbindet. Der Anschluss520 ist wiederrum an die kartesianische Achskonfiguration510 angeschlossen um das 3D-Druckwerkzeug über dem Werkstück200 zu bewegen.at 4a becomes thefilament 110 heated by use of microwave radiation, which in turn by amicrowave generator 410 is generated and by amicrowave conductor 420 is directed. Themicrowave generator 410 is in turn (as in 3 ) to aconnection 520 coupled, which themicrowave generator 410 with thedrive unit 380 combines. Theconnection 520 is in turn to theCartesian axis configuration 510 connected to the 3D printing tool above theworkpiece 200 to move.

Die Zuführeinheit300 wie in1 eingeführt, enthält bei dieser Ausführungsform eine Filamentzuleitung305, ein Filamentvortriebsrad320, ein Gegendruckrad350, und einen Filamentauslass395. Das Filamentvortriebsrad320 kann wiederrum an einen Motor340 gekuppelt sein, welcher das Filamentvortriebsrad320 antreibt um das Filament110 dem Werkstück200 entgegen zu bewegen. Um die Reibung zwischen Filament110 und der Zuführeinheit300 zu reduzieren, sind Vorsprünge und Nischen entlang des Bewegungspfades des Filamentes11 ausgeformt, sodass das Filament110 nur eingeschränkten Kontakt zu den Innenflächen der Zuführeinheit300 hat. Die Kontaktfläche zwischen Filament110 und Zuführeinheit300 ist minimiert oder zumindest reduziert.Thefeeder unit 300 as in 1 introduced, contains in this embodiment, aFilamentzuleitung 305 , afilament propulsion wheel 320 , acounterpressure wheel 350 , and afilament outlet 395 , Thefilament propulsion wheel 320 can turn to anengine 340 coupled, which is thefilament propulsion wheel 320 drives around thefilament 110 theworkpiece 200 to move against. To the friction betweenfilament 110 and thefeeder unit 300 are projections and niches along the path of movement of the filament 11 formed so that thefilament 110 only limited contact with the inner surfaces of thefeed unit 300 Has. The contact surface betweenfilament 110 andfeeding unit 300 is minimized or at least reduced.

Die Mikrowellenstrahlung440, welche vom Mikrowellenleiter420 geführt wird, erhitzt das Filament110 kurz vor-, oder im Moment des Kontaktes mit dem Werkstück200.Themicrowave radiation 440 which from themicrowave conductor 420 is guided, heats thefilament 110 shortly before or at the moment of contact with theworkpiece 200 ,

4b stellt eine weitere Ausführungsform für die Strahlungsheizung400 wie in2 eingeführt, dar. Bei dieser Ausführungsform enthält die Strahlungsheizung400 einen Laser-Emitter450, welcher so konfiguriert ist, dass eine Laserstrahlung einer passenden Wellenlänge abgegeben wird. Die Laserstrahlung wird zu einem Strahlungsschutz480 (bspw. ein Rohr mit Abschirmeffekt) gereichtet, welches eine gebogene Sektion enthält, wo ein Spiegel470 die emittierte Laserstrahlung des Emitters450 derart reflektiert, um die Strahlung zum Filament110, zu einer Position zu leiten, an welcher das Filament110 den Auslass395 der Zuführeinheit300 verlassen hat, oder wo es in Kontakt mit dem Werkstück kommt. 4b represents a further embodiment for theradiant heater 400 as in 2 introduced in this embodiment includes the radiant heater 400 alaser emitter 450 which is configured to emit laser radiation of a suitable wavelength. The laser radiation becomes a radiation protection 480 (For example, a tube with shielding effect) passed, which contains a curved section where amirror 470 the emitted laser radiation of theemitter 450 reflected to the radiation to thefilament 110 to guide to a position where thefilament 110 theoutlet 395 thefeed unit 300 has left, or where it comes in contact with the workpiece.

Die Zuführeinheit300 ist identisch mit derjenigen, welche in4 dargestellt ist, sodass einer Wiederholung hier vermieden werden kann.Thefeeder unit 300 is identical to the one in 4 is shown so that a repetition can be avoided here.

Die Strahlung, beispielsweise Mikrowellenstrahlung und/oder Laserstrahlung, kann derart ausgewählt werden sodass die Strahlung geeignet ist, das Filament110, oder zumindest einen Anteil oder Bestandteile des Filamentes110 zu erhitzen, um es mit dem verbleibenden Material des Werkstückes200 zu verschmelzen um das dreidimensionale Werkstück zu formen. Wie im weiteren Verlauf detaillierter beschrieben, kann das Filament110 aus mehreren Komponenten oder Bestandteilen bestehen, wobei zumindest eine der verschiedenen Komponenten die Strahlung (Mikrowellen, Laser) absorbieren kann, um dadurch das Filament110 zu erhitzen und damit auch die verbleibenden Komponenten oder Bestandteile, zu erhitzen welche nicht direkt durch die Strahlung, erhitzt wurden.The radiation, for example microwave radiation and / or laser radiation, can be selected such that the radiation is suitable, thefilament 110 , or at least a portion or constituents of thefilament 110 to heat it to the remaining material of theworkpiece 200 to merge to form the three-dimensional workpiece. As described in more detail below, thefilament 110 consist of several components or components, wherein at least one of the various components can absorb the radiation (microwaves, lasers), thereby thefilament 110 to heat and thus also the remaining components or components to heat, which were not directly heated by the radiation.

5a und5b zeigen Ausführungsformen bei welchen Komposit-Filamente durch das 3D-Druckwerkzeug verarbeitet werden. Das Filament110 wird beispielsweise wiederrum durch Mikrowellenstrahlung erhitzt, welche durch einen Mikrowellengenerator410 erzeugt wird, durch den Filamentantrieb360 bewegt, und durch die Filamentführung370 geführt. Das Filament110 dieser Ausführungsform besteht aus mehreren Komponenten, wobei zumindest eine dieser Komponenten durch Mikrowellenstrahlung erhitzt wird. 5a and 5b show embodiments in which composite filaments are processed by the 3D printing tool. Thefilament 110 For example, is again heated by microwave radiation, which by amicrowave generator 410 is generated by thefilament drive 360 moved, and through thefilament guide 370 guided. Thefilament 110 This embodiment consists of several components, wherein at least one of these components is heated by microwave radiation.

In den dargestellen Ausführungsformen ist das Werkstück200 jedoch nicht als komplett erhärteter Block geformt, sondern nur teilweise, und ist dadurch teilweise flexibel, was durch die verschiedenen Muster des Werkstückes200 dargestellt wird. Daher enthält das Werkstück200 nicht bestrahlte Bereiche222 und bestrahlte Bereiche221, wobei sich die Art der Bestrahlung beispielsweise auf Mikrowellenstrahlung und/oder Laserstrahlung bezieht. Die nicht bestrahlten Bereiche222 sind nicht erhärtet bzw. nicht mit dem übrigen Werkstück200 verschmolzen, und können beispielsweise flexible Bereiche des Werkstückes200 definieren. Andererseits sind die bestrahlten Bereiche221 erhärtet, beziehungsweise mit weiteren Bereichen des Werkstückes200 verschmolzen und verleihen daher dem Werkstück200 einen bestimmten Grad an Steifigkeit. Da das Erhitzen ausserhalb der Filamentführung370, nahe am Werkstück200 erfolgt, kann der Wechsel zwischen Erhitzen und nicht-Erhitzen schnell durchgeführt werden, sodass die bestrahlten Bereiche221 präzise am, oder im Werkstück200 positioniert werden können.In the illustrated embodiments, the workpiece is 200 however, it is not formed as a fully hardened block, but only partially, and is thereby partially flexible, due to the different patterns of theworkpiece 200 is pictured. Therefore, the workpiece contains 200unirradiated areas 222 andirradiated areas 221 , wherein the type of irradiation, for example, refers to microwave radiation and / or laser radiation. Thenon-irradiated areas 222 are not hardened or not with the rest of theworkpiece 200 fused, and can, for example, flexible areas of theworkpiece 200 define. On the other hand, theirradiated areas 221 hardens, or with other areas of theworkpiece 200 fused and therefore give the workpiece 200 a certain degree of rigidity. Since the heating is outside thefilament guide 370 , close to theworkpiece 200 is done, the switch between heating and non-heating can be done quickly, so that theirradiated areas 221 precise on, or in theworkpiece 200 can be positioned.

Beide Ausführungsformen unterscheiden sich durch die Verwendung unterschiedlicher Filamente110 welche für den 3D-Druckprozess eingesetzt werden. Bei5a wird ein Bündel gleichartiger Filamente verwendet, wobbei ei5b ein Filamentbündel verwendet wird, welches verschiedenartige Materialien enthält. Wieder wird die Strahlung und das Filamentbündelmaterial derart ausgewählt, dass die generierte Strahlung genügt um das Filament110 ausreichend für diesen Prozess zu erhitzen.Both embodiments differ in the use ofdifferent filaments 110 which are used for the 3D printing process. at 5a a bundle of similar filaments is used, where egg 5b a filament bundle is used which contains various materials. Again, the radiation and filament bundle material is selected such that the generated radiation is sufficient for thefilament 110 to heat enough for this process.

6a und6b zeigen eine Ausführungsform des Filamentes110 als Bündel105, wobei6a ein gebündeltes Filament105 vor der Exposition zu Strahlung, und6b die Deformation durch Strahlungsexposition darstellt. Das gezeigte gebündelte Filament105 kann flexibel sein und zumindest ein thermoplastisches Filament106 enthalten, welches mit einem thermoplastischen Kern109 kombiniert wird. Der thermoplastische Kern109 kann in zentraler Position des Bündels105 liegen und das/die thermoplastischen Filament(e)106 umgeben den thermoplastischen Kern109 (beispielsweise spiralförmig). 6a and 6b show an embodiment of thefilament 110 as abundle 105 , in which 6a a bundledfilament 105 before exposure to radiation, and 6b represents the deformation by radiation exposure. The bundled filament shown 105 may be flexible and at least onethermoplastic filament 106 included, which with athermoplastic core 109 combined. Thethermoplastic core 109 can be in central position of thebundle 105 and the thermoplastic filament (s) 106 surround the thermoplastic core 109 (for example, spiral).

Wie in6b dargestellt, deformiert sich das Filamentbündel105 bei Erhitzung durch die Strahlung440. Die Strahlung440 erzeugt beispielsweise eine Übergangsregion125 vom geschmolzenen zum kühlerem deformierbaren Zustand, und nach vollständiger Auskühlung kann das Filament ein steifes thermoplastisches Filament129 werden. Als Ergebnis der Erhitzung und des Auskühlens können der Kern129, und das vormals umgebende Filament homogen verschmolzen werden.As in 6b shown, deforms thefilament bundle 105 when heated by theradiation 440 , Theradiation 440 creates, for example, atransition region 125 from the molten to the cooler deformable state, and after complete cooling, the filament can form a rigidthermoplastic filament 129 become. As a result of heating and cooling, the core can 129 , and the formerly surrounding filament are homogeneously fused.

7a und7b zeigen eine weitere Ausführungsform für das Filamentbündel105, welches wiederrum flexibel sein kann. Das Bündel105 kann entsprechend dieser Ausführungsform aus einem oder mehreren thermoplastischen Filamenten106 bestehen, welche ein zugfestes Filamentbündel111 spiralförmig umgeben. Daher wird der Kern der Ausführungsform zu7 im Gegensatz zum thermoplastischen Kern109 aus6, aus einem Bündel zugfester Filamente111 repräsentiert. Wieder wird nach Erhitzen des Filamentbündels105 mit Strahlung440, eine Übergangsregion125 vom geschmolzenen zum kühleren Kunststoff gebildet. Schliesslich ist der zugfeste Kern121 vom geschmolzenen und wieder erhärteten Thermoplasten127 umhüllt, welcher über eine gewisse Steifigkeit verfügt. Wieder ist es möglich das Erhitzen derart zu steuern, sodass steife Bereiche (erhitzte und erkaltete Bereiche) nur an vorhergesehenen Bereichen oder Stellen geschaffen werden. 7a and 7b show a further embodiment for thefilament bundle 105 which in turn can be flexible. Thebundle 105 may according to this embodiment of one or morethermoplastic filaments 106 consisting of atensile filament bundle 111 surrounded by a spiral. Therefore, the gist of the embodiment becomes 7 in contrast to thethermoplastic core 109 out 6 , from a bundle oftensile filaments 111 represents. Again, after heating thefilament bundle 105 withradiation 440 , atransition region 125 formed from molten to cooler plastic. Finally, thetensile core 121 from the molten and re-hardened thermoplastic 127 wrapped, which has a certain rigidity. Again, it is possible to control the heating such that stiff areas (heated and cooled areas) are created only at foreseen areas or locations.

8 und18 zeigen weitere Ausführungsformen wobei an Stelle eines Filamentes, ein Partikelstrom als 3D-Druckmaterial verwendet wird. Die Partikel können wieder durch eine Strahlung erhitzt werden, welche aus Mikrowellen und/oder Laserstrahlung und/oder Partikelstrahlung bestehen kann. 8th and 18 show further embodiments wherein, instead of a filament, a particle stream is used as 3D printing material. The particles can be heated again by a radiation, which may consist of microwaves and / or laser radiation and / or particle radiation.

Bei Ausführungsform zu8a wird die Erhitzung des Partikelstromes durch Strahlung in einer Kammer307 durchgeführt.In embodiment too 8a is the heating of the particle stream by radiation in achamber 307 carried out.

Der Partikelstrom wird wie folgt generiert. Das 3D-Druckwerkzeug besteht aus einem Kompressor602 um das Gas (bspw. Luft) zu komprimieren, und einem Partikelspeicher603 für das Vorhalten der Partikel welche als 3D-Druckmaterial verwendet werden sollen. Der Kompressor602 und der Partikelspeicher603 können innerhalb einer optional stationären Installation530 angeordnet sein. Der Kompressor602 ist mit einer Mischeinheit610 mittels Rohren616 verbunden, welche eine Flussrichtung für den Gasstrom617 vorgeben, welcher vom Kompressor602 erzeugt wird. Der Partikelspeicher603 ist zur Mischeinheit610 mittels eines Rohres verbunden, welches gestaltet, um ist die Partikel welche im Partikelspeicher603 gelagert werden, zur Mischeinheit610 zu leiten, wo die Luft des Kompressors602 mit den Partikeln des Partikelspeichers603 vermischt wird. Nach Mischen von Luft und Partikeln, wird die erzeugte Mischung zur Partikelstrom-Heizdüse371 geleitet.The particle flow is generated as follows. The 3D printing tool consists of acompressor 602 to compress the gas (eg air) and aparticle store 603 for holding the particles which are to be used as 3D printing material. Thecompressor 602 and theparticle store 603 can be inside an optionalstationary installation 530 be arranged. Thecompressor 602 is with amixing unit 610 by means ofpipes 616 connected, which a flow direction for thegas flow 617 specify which of thecompressor 602 is produced. Theparticle store 603 is to themixing unit 610 connected by means of a tube which is designed to be the particles which in theparticle storage 603 are stored, to themixing unit 610 to direct where the air of thecompressor 602 with the particles of theparticle memory 603 is mixed. After mixing air and particles, the produced mixture becomes a particleflow heating nozzle 371 directed.

Die Ausführungsform zu8a enthält eine Partikelstrom-Heizdüse371 mit einem Strahlungsheizungshohlraum307 wo die Partikel erhitzt werden. Der Hohlraum307 ist entlang der Flussrichtung der Luft und Partikelmischung angeordnet, welche von der Mischeinheit610 generiert wird. Der Strahlungsheizungshohlraum307 enthält eine Öffnung oder ein Fenster, um die Strahlung des Strahlungsgenerators400 einzuleiten. Im Strahlungsheizungshohlraum307 absorbieren die Partikel wenigstens einen Teil der Strahlung und werden dadurch erhitzt. Nach Verlassen des Strahlungsheizungshohlraumes307 fördert die Partikelstrom-Heizdüse371 die erhitzte Luft/Partikelmischung zum Werkstück200, wo die Partikel auf das Werkstück in einem Bereich155 auftreffen und sich mit dem Werkstück200 verbinden. Wieder ist die Strahlungsquelle400 augebaut um eine passende Strahlung für das 3D-Drucken bereitzustellen. Strahlungsquelle400, Mischeinheit610 und Partikelstromdüse306 sind beweglich, und möglicherweise auf einen 3D-Druckkopf500 montiert, welcher an einer kartesischen Achskonfiguration oder einem Roboterarm befestigt ist. The embodiment too 8a contains a particleflow heating nozzle 371 with aradiant heating cavity 307 where the particles are heated. Thecavity 307 is disposed along the flow direction of the air and particulate mixture coming from the mixingunit 610 is generated. Theradiant heating cavity 307 contains an opening or a window to the radiation of theradiation generator 400 initiate. In theradiant heating cavity 307 the particles absorb at least part of the radiation and are thereby heated. After leaving theradiant heater cavity 307 promotes the particleflow heating nozzle 371 the heated air / particle mixture to theworkpiece 200 where the particles are on the workpiece in onearea 155 impinge and deal with theworkpiece 200 connect. Again, theradiation source 400 built to provide appropriate radiation for 3D printing.radiation source 400 , Mixingunit 610 and particle flow nozzle 306 are movable, and possibly on a3D printhead 500 mounted, which is attached to a Cartesian axis configuration or a robot arm.

8b stellt eine Ausführungsform für eine Erhitzung mittels Bestrahlung der Oberfläche des Werkstückes200 dar, wobei wieder ein Partikelstrom für den 3D-Druckprozess verwendet wird. Die Ausführungsform zu8b unterscheidet sich von der Ausführungsform zu8a nur dadurch, dass die Strahlung der Strahlungsquelle400 nicht in die Partikelstrom-Heizdüse371 angewendet wird, sondern auf das Werkstück200 gerichtet ist, um dieses zu erhitzen. Deswegen enthält das 3D-Druckwerkzeug zu8b eine Partikelstromdüse306, welche sich von der Partikelstrom-Heizdüse371 dadurch unterscheidet, dass kein Strahlungsheizungshohlraum307 benötigt wird (obwohl weiterhin vorhanden). Die Partikelstromdüse306 wird von der Mischeinheit610 wieder mit der Gas und Partikelmischung versorgt und leitet die (kalte) Mischung zum Werkstück200. Das Werkstück200 kann, oder kann auch nicht vorgeheizt sein. 8b provides an embodiment for heating by irradiation of the surface of theworkpiece 200 where again a particle stream is used for the 3D printing process. The embodiment too 8b differs from the embodiment 8a only in that the radiation of theradiation source 400 not in the particlestream heating nozzle 371 is applied, but on theworkpiece 200 is directed to heat this. That's why the 3D printing tool includes too 8b a particle flow nozzle 306 which differs from the particlestream heating nozzle 371 this distinguishes that noradiant heating cavity 307 is needed (although still available). The particle flow nozzle 306 is from the mixingunit 610 supplied with the gas and particle mixture and passes the (cold) mixture to theworkpiece 200 , Theworkpiece 200 may or may not be preheated.

Daher wird im Gegensatz zu8a, wo die Mischung der Partikel und des Gases innerhalb der Heizdüse371 erhitzt wird und dann als Mischung von Luft und erhitzten Partikeln zum Werkstück200 weiter geleitet wird, bei8b wo die Partikel und das Gas als kalte Mischung die Partikelstromdüse306 verlassen, um dann bei Aufschlag auf das Werkstück200 von der Strahlungsquelle400 erhitzt zu werden, um damit das Werkstück200 lokal-, sowie die bestimmte Partikel/Luft Mischung zu erhitzen und verschmelzen. Beispielsweise können die Partikel erhitzt oder vor-erhitzt werden kurz bevor Diese auf der vorgesehenen Stelle auf dem Werkstück200 aufschlagen. Dies kann durch entsprechende Ausrichtung der Strahlung erzielt werden. Zusätzlich kann die Region auf dem Werkstück auch vorgeheizt werden.Therefore, unlike 8a where the mixture of particles and gas inside theheating nozzle 371 is heated and then as a mixture of air and heated particles to theworkpiece 200 is passed on, at 8b where the particles and the gas as a cold mixture the particle flow nozzle 306 leave, then at impact on theworkpiece 200 from theradiation source 400 to be heated to allow theworkpiece 200 local, as well as the specific particle / air mixture to heat and fuse. For example, the particles may be heated or pre-heated just before this on the intended location on theworkpiece 200 crack open. This can be achieved by appropriate alignment of the radiation. In addition, the region on the workpiece can also be preheated.

9a bis9d zeigen weitere Ausführungsformen für eine Verwendung eines Partikelstromes um ein Werkstück im 3D-Druckverfahren herzustellen. 9a to 9d show further embodiments for using a particle flow to produce a workpiece in the 3D printing process.

9a zeigt ein 3D-Druckwerkzeug, wobei der Partikelstrom aus einer Mischung aus verschiedenen Partikeln besteht (bspw. verschiedene Komponenten oder Materialien). Das 3D-Druckwerkzeug beinhaltet erneut einen Kompressor102 um die Luft zu komprimieren. Der Kompressor102 erzeugt einen Gasstrom617 welcher von einem Rohr616 geleitet wird. Eine erste Gas/Partikel Mischungseinheit630 ist stromabwärts des Kompressors102 angebracht, um das komprimierte Gas mit einer ersten Materialkomponente (bspw. Partikel A) zu vermischen. Die Partikel A sind in einem Partikelspeicher603 gelagert und werden durch ein Rohr620 zur ersten Gas/Partikel Mischeinheit630 geleitet. 9a shows a 3D printing tool, wherein the particle flow consists of a mixture of different particles (for example, different components or materials). The 3D printing tool again includes a compressor 102 to compress the air. The compressor 102 generates agas stream 617 which of apipe 616 is directed. A first gas /particle mixing unit 630 is downstream of the compressor 102 attached to the compressed gas with a first material component (eg. Part A) to mix. The particles A are in aparticle storage 603 stored and are through apipe 620 to the first gas /particle mixing unit 630 directed.

Zusätzlich enthält das 3D-Druckwerkzeug einen weiteren Partikelspeicher604 für eine zweite Materialkomponente (bspw. Partikel B). Dieser zweite Partikelspeicher604 ist mittels eines weiteren Rohres604 mit einer zweiten Gas/Partikel Mischeinheit640 verbunden, wo die Partikel B mit der zuvor generierten komprimierten Luft/Gas Mischung vermengt werden. Die zweite Gas/Partikel Mischeinheit640 versorgt die Partikelstrom-Heizdüse371 mit der Mischung aus komprimierter Luft, Partikeln A, sowie Partikeln B. Die Partikelstrom-Heizdüse enthält einen Hohlraum307 für das selektive Erhitzen der Partikel A und/oder Partikel B durch eine Strahlung, welche von einer Strahlungsquelle410 abgegeben wird (wie in vorherigen Ausführungsformen). Nach Erhitzung der Mischung aus Partikeln A, Partikeln B und komprimierter Luft, wird die Mischung als im Gasstrom628 zum Werkstück200 geleitet. Die Mischung trifft auf das Werkstück200 innerhalb eines Zielgebietes158, wo die Partikel A und B sich miteinander verbinden um das Werkstück200 zu formen.In addition, the 3D printing tool contains anotherparticle memory 604 for a second material component (eg particle B). Thissecond particle store 604 is by means of anothertube 604 with a second gas /particle mixing unit 640 where the particles B are mixed with the previously generated compressed air / gas mixture. The second gas /particle mixing unit 640 supplies the particleflow heating nozzle 371 with the mixture of compressed air, particles A, and particles B. The particle flow heating nozzle contains acavity 307 for selectively heating the particles A and / or particles B by radiation emitted by aradiation source 410 is dispensed (as in previous embodiments). After heating the mixture of particles A, particles B and compressed air, the mixture is considered to be in thegas stream 628 to theworkpiece 200 directed. The mixture hits theworkpiece 200 within atarget area 158 where particles A and B join together around theworkpiece 200 to shape.

Dieser Ausführungsform folgend wird es möglich Pigmente oder andere Farbpartikel in das Werkstück einzubringen, um eine bestimmte erwünschte Gestaltung zu erzielen. Beispielsweise können die Partikel A aus Pigmenten bestehen, wogegen die Partikel B transparent sind und/oder eine gewisse Steifigkeit besitzen. Verschiedene Farben können dementsprechend auch gemischt werden. Dies erlaubt die Fertigung eines Werkstückes mit verschiedenen Farben in vorher bestimmten Regionen.Following this embodiment, it becomes possible to incorporate pigments or other color particles into the workpiece to achieve a particular desired design. For example, the particles A may consist of pigments, whereas the particles B are transparent and / or have a certain rigidity. Different colors can be mixed accordingly. This allows the production of a workpiece with different colors in predetermined regions.

Das 3D-Druckwerkzeug wie bei9a dargestellt kann wieder auf einem Werkzeugkopf500 montiert sein, welcher beweglich ist und mit einer kartesischen Achskonfiguration, oder einem Roboterarm (bspw. an einer Achse oder Roboterarm) verbunden ist, um über der Oberfläche des Werkstückes200 bewegt zu werden.The 3D printing tool as with 9a can be displayed again on atool head 500 be mounted, which is movable and connected to a Cartesian axis configuration, or a robot arm (for example, on an axis or robot arm) is about to over the surface of theworkpiece 200 to be moved.

9b zeigt eine weitere Ausführungsform für ein 3D-Druckwerkzeug, welche der Ausführungsform wie in9a dargestellt, ähnlich ist. Jedoch werden bei Ausführungsform zu9b nicht zwei Arten von Partikeln miteinander vermischt, sondern Partikel A, welche wieder im ersten Partikelspeicher603 untergebracht sind, werden mit Fasern welche im zweiten Partikelspeicher604 untergebracht sind, vermischt. Die Fasern werden durch ein Rohr625, welches den Fluss der Fasern ohne zu verstopfen gewärleistet, zur zweiten Mischeinheit640 geleitet. Nach Vermengung der Partikel A mit den Fasern und komprimierter Luft, wird die erzeugte Mischung zur Partikelstrom-Heizdüse371 geleitet, wo die Mischung erhitzt und nachfolgend zum Werkstück200 wie in den vorherigen Ausführungsformen zu9a, geleitet wird. Die Partikelstrom-Heizdüse371 kann wieder einen Hohlraum307 enthalten in welche eine Strahlung, generiert von einer Strahlungsquelle410, gerichtet wird. Die Strahlungsform kann wieder aus Mikrowellenstrahlung bestehen, welche entweder die Partikel A und/oder die Fasern ausreichend erhitzen kann um das Werkstück200 zu formen. Die eingebundenen Fasern im Werkstück verbessern die physikalischen Eigenschaften wie beispielsweise eine erhöhte Widerstandskraft oder Steifigkeit. Durch Einbezug elektrisch leitfähiger Fasern können gewisse strahlungsabsorbierende und/oder reflektierende Eigenschaften erzielt werden. Es ist sogar möglich Fasern mit ausreichender Dichte einzumischen um lokal den elektrischen Widerstand, oder die Leitfähigkeit des Werkstückes einzustellen. 9b shows a further embodiment for a 3D printing tool, which of the embodiment as in 9a shown, is similar. However, in the embodiment, too 9b not two types of particles mixed together, but particles A, which again in thefirst particle storage 603 are housed with fibers which in thesecond particle storage 604 are housed, mixed. The fibers are passed through atube 625 , which ensures the flow of fibers without clogging, to thesecond mixing unit 640 directed. After mixing the particles A with the fibers and compressed air, the mixture produced becomes the particleflow heating nozzle 371 passed where the mixture is heated and subsequently to theworkpiece 200 as in the previous embodiments too 9a , is directed. The particlestream heating nozzle 371 can restore acavity 307 contained in which a radiation generated by aradiation source 410 , is judged. The radiation form may again consist of microwave radiation which can heat either the particles A and / or the fibers sufficiently around theworkpiece 200 to shape. The incorporated fibers in the workpiece improve the physical properties such as increased resistance or rigidity. By incorporating electrically conductive fibers, certain radiation-absorbing and / or reflective properties can be achieved. It is even possible to mix fibers with sufficient density to locally adjust the electrical resistance, or the conductivity of the workpiece.

Bei Ausführungsform zu9c enthält das 3D-Druckwerkzeug eine erste Partikelfluss-Kontrolleinheit635 und eine zweite Partikelfluss-Kontrolleinheit645, welche die Menge der Partikel A und/oder B (oder Fasern) steuert. Darüberhinaus können beide Partikelfluss-Kontrolleinheiten635,645 mit einer Steuereinheit650 verbunden sein. Die Steuereinheit650 kann aufgebaut sein, sodass das Mischungsverhältnis derart gesteuert werden kann, dass die resultierende Mischung651 aus einer vorherbestimmten Menge an Partikeln A und einer vorherbestimmten Menge an Partikeln B besteht, welche in einem vorherbestimmtes Verhältnis625 der Partikel A und Partikel B resultiert.In embodiment too 9c The 3D printing tool contains a first particleflow control unit 635 and a second particleflow control unit 645 which controls the amount of particles A and / or B (or fibers). In addition, both particleflow control units 635 . 645 with acontrol unit 650 be connected. Thecontrol unit 650 can be constructed so that the mixing ratio can be controlled so that the resultingmixture 651 consists of a predetermined amount of particles A and a predetermined amount of particles B, which are in apredetermined ratio 625 Particle A and Particle B results.

Das Verhältnis der Materialien kann beispielsweise auch graduell während des Betriebs verändert werden, sodass das Werkstück200 sich aus Materialkompositionen zusammensetzt, welche kontinuierlich oder schrittweise oder gar nicht variieren können. Wieder können die Partikel verschiedene Formen haben und können Fasern und/oder Granulate oder andere Formen von Partikeln beeinhalten.For example, the ratio of the materials may also be changed gradually during operation, so that theworkpiece 200 composed of material compositions which can vary continuously or stepwise or not at all. Again, the particles may have different shapes and may include fibers and / or granules or other forms of particles.

Dadurch erlaubt diese Ausführungsform dass die Partikelmischung frei in Abstimmung zu den Anforderungen oder Wünschen des Nutzer (bspw. eine erwünschte Eigenschaft des Werkstückes) gewählt werden kann. Beispielsweise können bestimmte Bereiche oder Teile des Werkstückes aus verschiedenen Materialien geformt sein, oder über bestimmte speziell erwünschte Eigenschaften (bspw. Steifigkeit oder Flexibilität) verfügen, wohingegen andere Bereiche nicht derart gestaltet werden.As a result, this embodiment allows the particle mixture to be selected freely in accordance with the requirements or wishes of the user (for example a desired property of the workpiece). For example, certain areas or parts of the workpiece may be formed of different materials, or may have some particular desired properties (eg, stiffness or flexibility), while other areas may not be so designed.

Alle weiteren Komponenten können identisch mit den vorherigen Ausführungsformen (siehe bspw.9a) sein, sodass eine Wiederholung der Beschreibung entfallen kann.All other components can be identical to the previous embodiments (see, for example. 9a ), so that a repetition of the description can be omitted.

9d zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei die Partikel elektrisch geladen werden, bevor Diese zu Werkstück200 geleitet werden. Die Ausführungsform aus9d ist der Ausführungsform wie bei8a dargestellt ähnlich, und unterscheidet sich nur darin, dass zwischen der Partikelstrom-Heizdüse371 und der Luft/Partikel Mischeinheit610 ein Partikel-Ionisierer700 eingesetzt ist. Der Partikel-Ionisierer700 besteht aus einem Ionisierungshohlraum720 mit einem Zufluss und einem Auslasss für die Mischung631 der Partikel und der komprimierten Luft. Die Ionisierungskammer720 beinhaltet einern Ionisierungsdraht710, welcher mit einer Hochspannungsversorgung730 verbunden ist, welche eine Spannung für den Ionisierungsdraht oder das Ionisierungsgitter710 liefert, sodass die Luft/Partikelmischung631 aus der Mischeinheit610 elektrisch geladen wird. In der Ionisierungskammer720 wird ein geladener Partikelstrom740 erzeugt. Der geladene Partikelstrom740 wird nachfolgend zur Partikelstrom-Heizdüse geleitet, wo er durch die Strahlungsquelle400 wie zuvor beschrieben (bspw. durch Verwenden eines Hohlraumes307 innerhalb der Düse305) erhitzt wird. Nach Verlassen der Düse305 wird die elektrisch geladene, erhitzte Mischung741 auf das Werkstück200 gerichtet. Das Werkstück200 kann geerdet sein und elektrisch leitfähige Anteile enthalten um das Werkstück200 zu entladen. 9d shows a further embodiment, wherein the particles are electrically charged, before this toworkpiece 200 be directed. The embodiment of 9d is the embodiment as in 8a shown similar, and differs only in that between the particleflow heating nozzle 371 and the air / particle mixing unit 610 aparticle ionizer 700 is used. Theparticle ionizer 700 consists of anionization cavity 720 with an inflow and an outlet for themixture 631 the particles and the compressed air. Theionization chamber 720 includes anionizing wire 710 , which with ahigh voltage supply 730 which is a voltage for the ionization wire or theionization grid 710 delivers, so the air /particle mixture 631 from the mixingunit 610 is electrically charged. In theionization chamber 720 becomes a chargedparticle stream 740 generated. The chargedparticle flow 740 is subsequently directed to the particle flow heating nozzle where it passes through theradiation source 400 as previously described (eg by using acavity 307 inside the nozzle 305 ) is heated. After leaving thenozzle 305 becomes the electrically charged,heated mixture 741 on theworkpiece 200 directed. Theworkpiece 200 can be grounded and contain electrically conductive components around theworkpiece 200 to unload.

Ein Vorteil der Ausführungsform wie bei9d dargestellt, besteht darin dass die geladenen Partikel vom Werkstück200 angezogen werden und dadurch eine Wolkenbildung um die Partikelstrom-Heizdüse371 und/oder das Werkstück200 vermieden werden kann. Dies wiederrum kann den Materialbedarf für den 3D-Druckprozess reduzieren.An advantage of the embodiment as in 9d shown, is that the charged particles from theworkpiece 200 be attracted and thereby cloud formation around the particleflow heating nozzle 371 and / or theworkpiece 200 can be avoided. This in turn can reduce the material requirements for the 3D printing process.

Alle weiteren Komponenten wie bei den9 sind identisch oder ähnlich wie bereits durch die vorherigen Figuren (bspw.8) dargestellt und beschrieben, sodass eine Wiederholung der Beschreibung hier ausgelassen werden kann.All other components like the 9 are identical or similar as already by the previous figures (eg. 8th ) and described so that a repetition of the description can be omitted here.

10a zeigt eine weitere Ausführungsform welche ähnlich zur Ausführungsform bei8a ist. Jedoch enthält die Ausführungsform zu10a ein Steuerventil810 um den Partikelfluss zu steuern und einen Aktuator820 für das Steuerventil810. Das Steuerventil810 ist entlang des Partikelstromes zwischen dem ersten Partikelspeicher603 und der Gas/Partikel Mischeinheit610 angebracht. Der Aktuator820 für das Steuerventil810 kann durch eine Steuereinheit (wie die Steuereinheit in9c, jedoch nicht gezeigt in10a) angesteuert werden und ist so aufgebaut, um das Steuerventil810 zu steuern um damit die Partikelflussrate entsprechend anzupassen. Dementsprechend kann die Dichte der Partikel in der komprimierten Luft verändert werden und das 3D-Druckwerkzeug eine einstellbare Partikelflussrate (oder Dichte) liefern. Die Partikel können wieder durch die Strahlungsheizung410 in der Partikelstrom-Heizdüse371 erhitzt werden (siehe9d). 10a shows a further embodiment which similar to the embodiment at 8a is. However, the embodiment includes 10a acontrol valve 810 to control the particle flow and anactuator 820 for thecontrol valve 810 , Thecontrol valve 810 is along the particle flow between thefirst particle storage 603 and the gas /particle mixing unit 610 appropriate. Theactuator 820 for thecontrol valve 810 can be controlled by a control unit (like the control unit in 9c , but not shown in 10a ) and is constructed to be thecontrol valve 810 to control the particle flow rate accordingly. Accordingly, the density of the particles in the compressed air can be changed and the 3D printing tool can provide an adjustable particle flow rate (or density). The particles can return through theradiant heating 410 in the particlestream heating nozzle 371 to be heated (see 9d ).

10b zeigt weitere Details der Steurerung der Ausführungsform zu10a. Im Speziellen enthält diese Ausführungsform ein Partikelsteuerungsgerät800, welches den Aktuator820 für das Steuerventil810, eine Dosierungssteuerung830, und einen Zähler840 enthält. Der Zähler840 ist aufgebaut um eine Dichte oder Partikelzahl im Strom des Gas-Partikelgemisches zu messen. Beispielsweise kann der Zähler840 so konfiguriert sein um ein Strahlung850 abzugeben und zu empfangen, wobei die empfangene Strahlung von der Zahl oder Dichte der Partikel abhängt, welche durch die Partikel/Gas-Mischeinheit610 eingebracht wird. Beispielsweise kann die Intensität der empfangenen Strahlung sich in Abhängigkeit zu einer Veränderung der Partikeldichte variieren. Der Zähler840 ist desweiteren konfiguriert um ein entsprechendes Signal (indikativ für die Zahl der Partikel) zur Dosierungssteuerung830 abzugeben, welche darauf basierend, den Aktuator820 des Steuerventiles810 ansteuert und dadurch die Dichte der Partikel oder die Partikelrate festlegt, welche der Mischeinheit610 zugeführt wird. Dadurch enthält diese Ausführungsform einen Regelkreis801 um die Partikeldichte im Gasstrom effektiv zu steuern. Beispielsweise kann die Dosierungssteuerung830 einen Komparator beinhalten, welcher den Zielwert mit dem aktuellen Zählwert vergleicht. 10b shows further details of the control of the embodiment 10a , In particular, this embodiment includes aparticle control device 800 which is theactuator 820 for thecontrol valve 810 , adosage control 830 , and acounter 840 contains. Thecounter 840 is designed to measure a density or number of particles in the stream of gas-particle mixture. For example, thecounter 840 be configured to receiveradiation 850 and the received radiation depends on the number or density of particles passing through the particle /gas mixing unit 610 is introduced. For example, the intensity of the received radiation may vary depending on a change in particle density. Thecounter 840 is further configured by a corresponding signal (indicative of the number of particles) fordosing control 830 which based on it, theactuator 820 of thecontrol valve 810 controls and thereby determines the density of the particles or the particle rate, which of themixing unit 610 is supplied. As a result, this embodiment includes acontrol loop 801 to effectively control the particle density in the gas stream. For example, thedosage control 830 include a comparator which compares the target value with the current count value.

Wieder sind alle anderen Komponenten äquivalent oder identisch wie in den vorherigen Figuren (bspw.8), sodass eine Wiederholung der Beschreibung nicht notwendig ist.Again, all other components are equivalent or identical as in the previous figures (eg. 8th ), so that a repetition of the description is not necessary.

11a stellt eine weitere Ausführungsform dar, welche ähnlich der Ausführungsform ist, wie bei8a gezeigt. Zusätzlich zur Ausführungsform von8a enthält die Ausführungsform zu11 eine Temperatursteuerung, welche in der Lage ist die Temperatur der Mischung aus Gas und Partikeln, beispielsweise bei Verlassen der Partikelstrom-Heizdüse371, zu messen. Die Temperatursteuerung ermöglicht eine Rückkoppelung für die Steuerung der Strahlung (bspw. Intensität) welche von der Strahlungsquelle410 abgegeben wird. 11a FIG. 12 illustrates another embodiment which is similar to the embodiment as in FIG 8a shown. In addition to the embodiment of 8a contains the embodiment too 11 a temperature controller which is capable of controlling the temperature of the mixture of gas and particles, for example when leaving the particlestream heating nozzle 371 , to eat. The temperature control allows feedback for the control of radiation (eg intensity) from theradiation source 410 is delivered.

Im Speziellen enthält die Partikelstrom-Heizdüse ein Strahlungsfenster715, durch welches thermische Strahlung716, welche von den erhitzten Partikeln in der Gas/Partikelmischung abgegeben wird, analysiert werden kann. Beispielsweise kann das 3D-Druckwerkzeug einen Empfänger705 für thermische Strahlung716 enthalten, welcher in der Lage ist, die emittierte Wärmestrahlung716 zu empfangen, welche durch das Srahlungsfenster715 gelangt. Nach dem Empfang der thermischen Strahlung716 wird ein Signal welches repräsentativ für die Hitze der Partikel ist, zu einem Meßgerät oder Temperatursteuerung707 weitergeleitet. Die Temperatursteuerung707 empfängt und analysiert das Signal welches vom Wärmestrahlungsempfänger705 generiert wird und steuert basierend darauf die Strahlungsheizung410 um die Strahlung440 anzupassen (bspw. durch Erhöhen und Verringern der Intensität der Mikrowellenstrahlung). Dadurch enthält diese Ausführungsform eine geschlossenen Regelkreis um das Erhitzen der Partikel effektiv zu steuern.In particular, the particle stream heating nozzle includes aradiation window 715 through whichthermal radiation 716 , which is emitted from the heated particles in the gas / particle mixture, can be analyzed. For example, the 3D printing tool may be areceiver 705 forthermal radiation 716 contained, which is capable of the emittedheat radiation 716 to receive, which through theradiant window 715 arrives. After receiving thethermal radiation 716 For example, a signal representative of the heat of the particles becomes a meter ortemperature control 707 forwarded. Thetemperature control 707 receives and analyzes the signal from theheat radiation receiver 705 is generated and controls based on theradiant heating 410 around the radiation 440 (for example, by increasing and decreasing the intensity of the microwave radiation). As a result, this embodiment includes a closed loop to effectively control the heating of the particles.

11b zeigt eine Ausführungsform mit einer Kombination verschiedener Regelkreise. Im Speziellen kombiniert diese Ausführungsform den Regelkreis wie bei10b dargestellt, mit einem Regelkreis wie bei11a dargestellt. Zusätzlich wird eine Gasstromsteuerung760 eingesetzt welche konfiguriert ist um den Gasstrom617 zu analysieren, welcher vom Kompressor102 erzeugt wird. Die Gasstromsteuerung760 kann als Komparator funktionieren, welcher beispielsweise den Gasdruck an der Zuführung zum Kompressor102 mit dem Gasdruck am Ausgang des Kompressors102 vergleicht. Die Gasstromsteuerung760 wird am Kompressor102 angeschlossen um beispielsweise die Kompressionsrate der komprimierten Luft zu verändern um dadurch den Fluss der komprimierten Luft617 zu steuern. Dadurch wird bei dieser Ausführungsform nicht nur die Partikelstromrate gesteuert wie bei10b beschrieben, sowie die Temperatur wie bei11a, sondern auch der Druck des Gasstromes. 11b shows an embodiment with a combination of different control circuits. In particular, this embodiment combines the control loop as in 10b shown with a control loop as in 11a shown. In addition, agas flow control 760 used which is configured to thegas flow 617 to analyze which of the compressor 102 is produced. Thegas flow control 760 can function as a comparator, which, for example, the gas pressure at the feed to the compressor 102 with the gas pressure at the outlet of the compressor 102 compares. Thegas flow control 760 gets on the compressor 102 connected, for example, to change the compression rate of the compressed air to thereby the flow ofcompressed air 617 to control. Thus, in this embodiment, not only the particle flow rate is controlled as at 10b described, as well as the temperature as with 11a but also the pressure of the gas stream.

Desweiteren enthält die Ausführungsform zu11b eine zentrale Steuereinheit740, welche derart aufgebaut ist um die entsprechenden Signale der verschiedenen Steuereinheiten707,760,830 zu empfangen und darauf basierend Rückmeldesignale sendet, um die Temperatur, den Gasdruck und die Dosierung der Partikel zu regeln. Dadurch können die Temperatursteuerung707, die Gasstromsteuerung760 und die Dosierungskontrolle830 mittels einer zentralen Steuereinheit740 durch das Senden von Regelsignalen an die einzelnen Steuerungen707,760 und830 koordiniert werden.Furthermore, the embodiment includes 11b acentral control unit 740 , which is constructed in such a way to the corresponding signals of thevarious control units 707 . 760 . 830 to receive and based feedback signals sends to regulate the temperature, the gas pressure and the dosage of the particles. This allows thetemperature control 707 , thegas flow control 760 and thedosage control 830 by means of acentral control unit 740 by sending control signals to theindividual controllers 707 . 760 and 830 be coordinated.

Wieder können alle weiteren Komponenten ähnlich oder identisch mit denjenigen aus beispielsweise8a sein, sodass eine Wiederholung der Beschreibung hier ausgelassen werden kann. Again, all other components may be similar or identical to those of, for example 8a so that a repetition of the description can be omitted here.

12a zeigt eine weitere Ausführungsform. welche zusätzlich zu den Komponenten wie bei8a dargestellt, eine Gasvorheizung für das Vor-Heizen der komprimierten Luft enthält, welche vom Kompressor602 erzeugt wird. Die Gasvorheizung840 ist zwischen dem Kompressor602 und der Partikel/Gas Mischeinheit610 positioniert und besteht aus einem Heizdraht842, sowie einem Gasvorheizungs-Hohlraum844 und ist mit einer elektrischen Stromquelle846 verbunden. Die elektrische Stromquelle846 versorgt den Heizdraht842 mit elektrischer Energie. Der Heizdraht842 ist in den Gasvorheizungs-Hohlraum844 eingesetzt um den Strom aus komprimierter Luft617 zu erhitzen, welcher vom Kompressor602 erzeugt wird. Nach Verlassen der Gasvorheizung840 wird das erhitzte Gas847 zur Partikel/Gas Mischeinheit610 geleitet, sodass bei dieser Ausführungsform die erhitzte Luft mit den Partikeln vermischt wird. Erhitzte Partikel und erhitzte Luft848 verlassen die Partikelstrom-Heizdüse371. 12a shows a further embodiment. which in addition to the components as in 8a shown, a gas preheating for the pre-heating of the compressed air contains, which from thecompressor 602 is produced. Thegas preheater 840 is between thecompressor 602 and the particle /gas mixing unit 610 positioned and consists of aheating wire 842 , as well as agas preheating cavity 844 and is with anelectric power source 846 connected. Theelectrical power source 846 supplies theheating wire 842 with electrical energy. Theheating wire 842 is in thegas preheating cavity 844 used around the stream ofcompressed air 617 to heat, which from thecompressor 602 is produced. After leaving thegas preheater 840 becomes theheated gas 847 to the particle /gas mixing unit 610 directed, so that in this embodiment, the heated air is mixed with the particles. Heated particles andheated air 848 leave the particlestream heating nozzle 371 ,

Wieder sind alle weiteren Komponenten ähnlich oder identisch mit denjenigen welche in den vorhergehend Figuren wie beispielsweise8a dargestellt werden, sodass eine Wiederholung der Beschreibung hier ausgelassen werden kann.Again, all other components are similar or identical to those in the previous figures such as 8a can be displayed so that a repetition of the description can be omitted here.

Die Ausführungsform bei12b enthält zusätzlich zu den Komponenten aus12a eine zusätzliche Kühl-Düse860, sowie ein Umführungsrohr850, welches mit dem Kompressor102 und der Kühl-Düse860 verbunden ist. Dadurch kann das kühle komprimierte Gas des Kompressors102, der Vorheizung840, sowie der Kühl-Düse860 zugeführt werden, und nach dem Vorheizen und Mischen kann die Partikestrom-Heizdüse die Mischung aus Partikeln und erhitztem Gas auf das Werkstück200 weiter leiten. Zusätzlich leitet die Kühl-Düse860 das kühle Gas auf das Werkstück200. Beispielsweise können die Partikelstrom-Heizdüse371 und die Kühl-Düse860 derart angeordnet werden, sodass die kühle komprimierte Luft auf das Werkstück200 trifft um dadurch das Werkstück200 in der angepeilten Region zu kühlen und das 3D-Druckmaterial auszuhärten, nachdem die erhitzte Gas/Partikel Mischung auf das Werkstück aufgebracht wurde. Die zeitliche Abfolge kann beschrieben werden im Hinblick auf die relative Bewegungsrichtung zwischen Werkstück200 und dem 3D-Druckwerkzeug, sowie der Kühlleistung des Gasstromes. Um die Effektivität der Kühlung zu steigern, kann die Temperatur des Gases zusätzlich durch ein Kühlgerät zwischen der Kül-Düse860 und dem Umführungsrohr850 reduziert werden.The embodiment at 12b contains in addition to the components 12a anadditional cooling nozzle 860 , as well as abypass pipe 850 which with the compressor 102 and the coolingnozzle 860 connected is. This allows the cool compressed gas of the compressor 102 , thepreheater 840 , as well as the coolingnozzle 860 and after preheating and mixing, the particulate stream heating nozzle may apply the mixture of particles and heated gas to theworkpiece 200 hand off. In addition, the cooling nozzle conducts 860 the cool gas on theworkpiece 200 , For example, the particleflow heating nozzle 371 and the coolingnozzle 860 be arranged so that the cool compressed air to theworkpiece 200 thereby hits theworkpiece 200 Cool in the targeted region and cure the 3D printing material after the heated gas / particle mixture has been applied to the workpiece. The timing can be described in terms of the relative direction of movement between theworkpiece 200 and the 3D printing tool, as well as the cooling power of the gas stream. In order to increase the effectiveness of the cooling, the temperature of the gas can additionally by a cooling device between the coolingnozzle 860 and thebypass pipe 850 be reduced.

In Ausführungsform entsprechend13a besteht der Partikelspeicher aus einer unter Druck gesetzten Kammer. Um dies umzusetzen enthält die Ausführungsform einen Gasstromseparator862, welcher in einer Partialdruckweiche860 untergebracht ist. Die Partialdruckweiche860 ist zwischen dem Kompressor602 und der Partikel/Gas Mischeinheit610 angebracht, und derart aufgebaut um einen Teil der Druckluft zum Partikelspeicher603 zu führen. Dies erhöht den Druck innerhalb des Partikelspeichers603, und führt dazu, dass die Partikel im Partikelspeicher603 durch das Rohr616 zur Gas/Partikel Mischeinheit610 bewegt werden, oder dabei unterstützt werden. Die Mischung des Gases und der Partikel619 erleichtert zusätzlich den Fluss durch die Rohre bis die Mischeinheit, oder Intermixkammer610 erreicht ist.In accordance with embodiment 13a the particle store consists of a pressurized chamber. To implement this, the embodiment includes agas flow separator 862 which is in apartial pressure switch 860 is housed. Thepartial pressure switch 860 is between thecompressor 602 and the particle /gas mixing unit 610 attached, and so constructed by a part of the compressed air to theparticle storage 603 respectively. This increases the pressure within theparticle store 603 , and causes the particles in theparticle store 603 through thepipe 616 to the gas /particle mixing unit 610 be moved, or be supported. The mixture of gas andparticles 619 additionally facilitates the flow through the tubes to the mixing unit, or intermixchamber 610 is reached.

Alle weiteren Komponenten sind identisch mit denjenigen der Ausführungsform zu8.All other components are identical to those of the embodiment to 8th ,

Die Ausführungsform zu13b unterscheidet sich von Ausführungsform zu13a dadurch dass am Boden des Partikelspeichers603, Einlässe618 für Druckluft617 vorgesehen sind, welche um den Auslass der Partikel des unter Druck gesetzten Partikelspeichers603 angeordnet sind. Dies erlaubt den Vorteil, dass die Partikel innerhalb des Partikelspeichers603, Diesen mit geringerem Flusswiderstand verlassen können. Beispielsweise kann die komprimierte Luft, welche in den Partikelspeicher603 eingeleitet wird, einen Auftrieb erzeugen, welcher den Druck auf die einzelnen Partikel durch ihr Eigengewicht in Nähe des Auslasses des Partikelspeichers603 reduziert und den Partikelfluss erleichtert. Zusätzlich kann dies ein Festsetzen der Partikel verhindern, und damit die Partikeldurchsatzrate durch das Rohr616 erhöhen.The embodiment too 13b differs from embodiment too 13a by being at the bottom of theparticle store 603 ,Inlets 618 forcompressed air 617 are provided, which around the outlet of the particles of thepressurized particle storage 603 are arranged. This allows the advantage that the particles within theparticle store 603 , Can leave this with lower flow resistance. For example, the compressed air which enters theparticle storage 603 initiating a buoyancy which increases the pressure on the individual particles by their own weight near the outlet of theparticle store 603 reduces and facilitates the flow of particles. In addition, this can prevent particulate settling and hence the particle flow rate through thetube 616 increase.

Wieder können alle weiteren Komponenten ähnlich oder identisch mit denjenigen sein, welche in vorherigen Figuren, beispielsweise13a und8a dargestellt und beschrieben werden, sodass eine Wiederholung an dieser Stelle vermieden werden kann.Again, all other components may be similar or identical to those shown in previous figures, for example 13a and 8a can be represented and described, so that a repetition can be avoided at this point.

14 zeigt eine weitere Ausführungsform eines 3D-Druckwerkzeuges mit einer Mikrowellen Partikelheizung. Das 3D-Druckwerkzeug enthält einen Kompressor603 mit einem Rotor, welcher mit einem Kompressormotor604 verbunden ist und den Rotor des Kompressors603 antreibt. Die Luft wird radial nach aussen gedrückt, wo eine Düse angebracht ist um die komprimierte Luft der Gas/Partikel Mischeinheit stromabwärts zu zuführen. 14 shows a further embodiment of a 3D printing tool with a microwave particle heating. The 3D printing tool contains acompressor 603 with a rotor, which with acompressor motor 604 connected and the rotor of thecompressor 603 drives. The air is forced radially outward where a nozzle is mounted to supply the compressed air to the gas / particle mixing unit downstream.

Zusätzlich enthält das 3D-Druckwerkzeug einen Partikelspeicher606, welcher Raum für die Lagerung des Pulvers608 bietet, welches als 3D-Druckmaterial verwendet wird. Das 3D-Druck Pulver608 wird der Gas/Partikel Mischeinheit630 zugeführt. Zusätzlich wird eine Materialstromkontrolle708 eingesetzt, welche die Pulvermenge des Pulvers608 steuert, welche der Gas/Partikel Mischeinheit630 zugeführt wird. Die Materialflusskontrolle708 kann wieder durch eine zentrale Steuereinheit wie zuvor beschrieben (nicht bei14 dargestellt) geregelt werden. Die Gas/Partikel Mischeinheit630 ist aufgebaut um das 3D-Druckpulver608 in den Strom der komprimierten Luft durch einen 3D-Druckpulver-Auslass607 einzubringen, welcher in der Gas/Partikel Mischeinheit630 untergebracht ist, und beispielsweise innerhalb einer zentralen Position im Gasstrom liegt. Dadurch strömt die komprimierte Luft um den 3D-Druckpulver-Auslass607, wodurch ein Unterdruck für das 3D-Druckpulver erzeugt wird, welcher eine effiziente Mischung aus Gas und Partikeln innerhalb der Gas/Partikel Mischeinheit630 ermöglicht. Der Pulver-Auslass607 kann desweiteren angepasst werden um Turbulenzen in der Gas/Partikel Mischeinheit630 zu reduzieren. Dies kann beispielsweise durch Formung eines Führungselementes (siehe stromaufwärts des Pulver Auslasses607) erreicht werden, welcher das Gas um den Pulver Auslass607 führt um Turbulenzen zu minimieren.In addition, the 3D printing tool contains aparticle memory 606 which room for the storage of thepowder 608 which is used as 3D printing material. The 3D-printing powder 608 becomes the gas /particle mixing unit 630 fed. In addition, amaterial flow control 708 used, which is the powder amount of thepowder 608 controls which of the gas /particle mixing unit 630 is supplied. Thematerial flow control 708 can again by a central control unit as previously described (not at 14 shown). The gas /particle mixing unit 630 is built around the3D printing powder 608 into the stream of compressed air through a 3Dpressure powder outlet 607 which is in the gas /particle mixing unit 630 is housed, and for example within a central position in the gas stream. As a result, the compressed air flows around the 3Dpressure powder outlet 607 , which creates a vacuum for the 3D printing powder, which is an efficient mixture of gas and particles within the gas /particle mixing unit 630 allows. Thepowder outlet 607 can be further adapted to turbulence in the gas /particle mixing unit 630 to reduce. This can be done, for example, by forming a guide element (see upstream of the powder outlet 607 ), which expels the gas around thepowder 607 leads to minimize turbulence.

Das 3D-Druckwerkzeug aus14 enthält deweiteren einen Mikrowellenemitter410, einen Mikrowellen Hohlleiter412, sowie einen Adapter für den Mikrowellen/Partikelstrom416 mit einem Mikrowellen-Hohlraumresonator414. Der Mikrowellen Hohlleiter412 ist derart aufgebaut um die Mikrowellen, welche vom Mikrowellenemitter410 abgegeben werden, zum Mikrowellen-Hohlraumresonator414 zu leiten. Der Mikrowellen-Hohlraumresonator414 ist senkrecht zum Strom der Mischung aus komprimierter Luft und 3D-Druckpulver608 angeordnet. Der Mikrowellen-Hohlraumresonator414 ist derart aufgebaut um eine hochintensivierte Mikrowellenstrahlung zu erzeugen, beispielsweise in Form von stehenden Wellen, welche die Kammer414 ausfüllen.The 3D printing tool off 14 The others contain amicrowave emitter 410 , amicrowave waveguide 412 , as well as an adapter for the microwave /particle flow 416 with amicrowave cavity resonator 414 , Themicrowave waveguide 412 is so constructed around the microwaves, which from themicrowave emitter 410 are delivered to themicrowave cavity resonator 414 to lead. Themicrowave cavity resonator 414 is perpendicular to the flow of the mixture of compressed air and3D printing powder 608 arranged. Themicrowave cavity resonator 414 is constructed so as to generate a high-intensity microwave radiation, for example in the form of standing waves, which surround thechamber 414 fill out.

Der Adapter für den Mikrowellen/Partikelstrom416 mit dem Mikrowellen Hohlraumresonator414 kann beispielsweise ein gasdichtes Mikrowellenfenster419 enthalten, sodass die Mischung aus Gas und 3D-Druckpulver608 durch den Mikrowellen-Hohlraumresonator414 strömen kann, jedoch daran gehindert wird quer zur ursprünglichen Strömungsrichtung weiter in den Mikrowellen-Hohlraumresonator414 zu gelangen. Zusätzlich enthält der Adapter416 einen Deflektor418 um die Mikrowellenstrahlung daran zu hindern in die Mischeinheit630 oder die Partikelstromdüse316 einzudringen, welche als weitere Ausführungsform als Teil des Adapters416 gestaltet sein kann. Die weitere Partikelstromdüse316 leitet und konzentriert den Strom erhitzter Partikel421 zum Werkstück200. Das 3D-Druckwerkzeug kann beweglich entlang mindestens einer Achse315 angebracht sein, durch Verwendung einer kartesischen Achskonfiguration, oder eines Roboterarmes, oder ähnlichen Konfigurationen (siehe vorhergehende Ausführungsformen, bspw.9).The adapter for the microwave /particle flow 416 with themicrowave cavity resonator 414 For example, a gas-tight microwave window 419 included, so the mixture of gas and3D printing powder 608 through themicrowave cavity resonator 414 can flow, but is prevented from transverse to the original flow direction into themicrowave cavity resonator 414 to get. In addition, the adapter contains 416 adeflector 418 to prevent the microwave radiation from entering themixing unit 630 or theparticle stream nozzle 316 penetrate, which as a further embodiment as part of theadapter 416 can be designed. The furtherparticle stream nozzle 316 directs and concentrates the flow ofheated particles 421 to theworkpiece 200 , The 3D printing tool can be movable along at least oneaxis 315 by using a Cartesian axis configuration, or a robotic arm, or similar configurations (see previous embodiments, e.g. 9 ).

15 stellt eine weitere Ausführungsform einer Strahlungsheizung eines Partikelstromes in einem 3D-Druckwerkzeug dar, welche ähnlich ist zur Ausführungsform in14 dargestellt. Jedoch wird bei dieser Ausführungsform eine Laserstrahlung für das Erhitzen des 3D-Druckmateriales eingesetzt (anstelle einer Mikrowellenstrahlung wie in Ausführungsform zu14). Deswegen enthält die Ausführungsform zu15 einen Laser Emitter, welcher beispielsweise in einem Gehäuse416 und einem Laser/Partikelstrom Adapter417 untergebracht ist. Die Laserstrahlung wird beispielsweise in einem Strahlungsschutz480 geleitet, welcher einen Laserspiegel470 enthält um die Laserstrahlung, welche vom Laser Emitter415 abgegeben wird zum Laserstrahlungs/Partikelstrom Adapter417 zu leiten. Der Strahlungsschutz480 kann wieder als Rohr geformt sein, welches die Laserstrahlung durch den beispielsweise in einem Knick eingebauten Spiegel,670 zum Adapter417 leitet. 15 FIG. 12 illustrates another embodiment of radiant heating of a particle stream in a 3D printing tool similar to that of FIG 14 shown. However, in this embodiment, laser radiation is used for heating the 3D printing material (instead of microwave radiation as in the embodiment too) 14 ). Therefore, the embodiment includes 15 a laser emitter, which for example in ahousing 416 and a laser / particle flow adapter 417 is housed. The laser radiation is for example in aradiation protection 480 passed, which is alaser mirror 470 contains around the laser radiation, which from thelaser emitter 415 is delivered to the laser radiation / particle flow adapter 417 to lead. Theradiation protection 480 can again be shaped as a tube, which directs the laser radiation through the mirror, which is installed for example in a kink, 670 to the adapter 417 passes.

Der Laser/Partikelstrom Adapter417, wird wieder zwischen der Mischeinheit630 (oder Einbringungs-Einheit), für das 3D-Druckmaterial, sowie der Partikelstromdüse316 eingesetzt, welche dem erhitzten Partikelstrom zu Werkstück200 leitet. Der Adapter417 enthält beispielsweise eine Wärmetransferkammer419, welche ggeignet ist, die Energie der Laserstrahlung in die Partikel (bspw. Pulver) einzubringen, welche sich im Luftstrom der komprimierten Luft befinden, welche vom Kompressor603 generiert wird. Wieder enthält der Adapter417 ein Fenster422, welches entlang der Fliessrichtung orientiert ist und durchlässig für die Laserstrahlung ist, jedoch gegen den Strom komprimierten Gases, sowie die eingebrachten Partikeln abdichtet, sowie einen Spiegel421 welcher die Laserstrahlung zurück in die Wärmeaustauschkammer419 reflektiert.The laser / particle flow adapter 417 , will be back between the mixing unit 630 (or transfer unit), for the 3D printing material, as well as theparticle flow nozzle 316 used, which the heated particle flow to workpiece 200 passes. The adapter 417 contains, for example, aheat transfer chamber 419 which is suitable for introducing the energy of the laser radiation into the particles (for example powders) which are in the air stream of the compressed air coming from thecompressor 603 is generated. Again, the adapter contains 417 awindow 422 , which is oriented along the direction of flow and permeable to the laser radiation, but against the flow of compressed gas, as well as the particles introduced seals, and amirror 421 which returns the laser radiation back to theheat exchange chamber 419 reflected.

16 zeigen wie die vorerhitzten Partikel und/oder Fasern sich verbinden um das Werkstückk200 zu formen. 16 show how the preheated particles and / or fibers connect around theworkpiece 200 to shape.

Beispielsweise kann bei16a eine Kombination von Partikel920 und Fasern910 gemeinsam erhitzt und bewegt werden. Die erhitzten Partikel920 werden auf der Oberfläche des Werkstückes930 eingebunden und sammeln sich auf der erhitzten Region des Werkstückes940 um beispielsweise die Breite oder Höhe des Werkstückes200 global oder lokal zu vergrössern. Die eingebundenen Partikel190, welche erhitzt oder auch nicht erhitzt werden, können beispielsweise die Festigkeit des Werkstückes200 erhöhen.For example, at 16a a combination ofparticles 920 andfibers 910 heated and moved together. Theheated particles 920 be on the surface of theworkpiece 930 involved and accumulate on the heated region of theworkpiece 940 for example, the width or height of theworkpiece 200 to enlarge globally or locally. The embeddedparticles 190 which are heated or not heated, for example, the strength of theworkpiece 200 increase.

16b zeigt eine Ausführungsform, wobei nur vorerhitzte Partikel auf der Oberfläche930 des Werkstückes200 eingebunden werden. Wieder wird eine Ansammlung von Partikeln im Bereich940 erreicht, und die Breite des Werkstückes200 durch Ansammlung erhitzter Partikel vergrössert. 16b shows an embodiment wherein only preheated particles on thesurface 930 of theworkpiece 200 be involved. Again, an accumulation of particles in thearea 940 reached, and the width of theworkpiece 200 increased by accumulation of heated particles.

16c stellt einen Kühlungseffekt eines Luftromes950 (oder irgend eines anderen Gases dar), welcher beispielsweise erhitzte Partikel trägt. Sobald die Partikel auf der Oberfläche des Werkstückes930 eingebunden werden, kühlt der Luftstrom die Partikel nach dem Aufschlag in der Region960, sodass die folgende Exposition der erhitzten Partikel920 gegenüber des Luftstromes, das Werkstück in der Region200 abkühlt. Das Werkstück200 wachst durch die eingebundenen Partikel an. Solange sich die erhitzten Partikel920 gemeinsam mit dem Luftstrom950 bewegen, ist nur ein beschränkter Wärmeaustausch zwischen den Partikeln920 und dem Luftstrom950 möglich (da Luft einen guten thermischen Isolator darstellt). Jedoch wird in dem Moment, in welchem die Partikel auf dem Werkstück200 aufschlagen und eingebunden werden, der Luftstrom sofort beginnen die noch erhitzten Partikel920 abzukühlen, da die Relativgeschwindigkeit zwischen Luftstrom950 und den erhitzten Partikeln schlagartig ansteigt, und somit der Kühleffekt zustande kommt. 16c provides a cooling effect of a Luftromes 950 (or any other gas), for example, which carries heated particles. Once the particles are on the surface of theworkpiece 930 the airflow cools the particles after impact in theregion 960 so that the following exposure of theheated particles 920 opposite the air flow, the workpiece in theregion 200 cools. Theworkpiece 200 grows through the incorporated particles. As long as theheated particles 920 together with theairflow 950 moving, is only a limited heat exchange between theparticles 920 and theairflow 950 possible (since air is a good thermal insulator). However, at the moment in which the particles on theworkpiece 200 hit and be bound, the air flow immediately start the stillheated particles 920 Cool down, as the relative velocity betweenair flow 950 and the heated particles abruptly increases, and thus the cooling effect is achieved.

16d zeigt das Erhitzen durch eine gerichtete Strahlung905, welche auf das Werkstück gerichtet ist. Bei den Ausführungsformen wo dies angewandt wird, werden die kalten oder erhitzten Partikel925 im Moment (oder kurz davor) ihres Kontaktes mit der Oberfläche930 durch die gerichtete Strahlung905 erhitzt. Dies erlaubt den Vorteil, dass nicht nur die Partikel erhitzt werden, sondern auch das umgebende Gebiet935 des Werkstückes200, wodurch die Fähigkeit der der erhitzen Partikel920 die Oberfläche des Werkstückes200 zu durchstossen erhöht wird, und ein homogeneres Werkstück200 produziert werden kann. Die Ansammlung der erhitzten Partikel920 wird wieder das Werkstück200 anwachsen lassen, um dadurch ein dreidimenionales Objekt zu formen. 16d shows the heating by a directedradiation 905 , which is directed to the workpiece. In the embodiments where this is applied, the cold or heated particles become 925 at the moment (or shortly before) of their contact with thesurface 930 through the directedradiation 905 heated. This allows the advantage that not only the particles are heated, but also the surroundingarea 935 of theworkpiece 200 , reducing the ability of theheat particles 920 the surface of theworkpiece 200 is increased to pierced, and a morehomogeneous workpiece 200 can be produced. The accumulation ofheated particles 920 becomes the workpiece again 200 grow to thereby form a three-dimensional object.

Eine grosse Auswahl an Materialen kann eingesetzt werden. Beispielsweise können die Partikel aus Carbon, Harz, oder irgend einer Art synthetischen Materiales (organisch wie anorganisch), Polymeren, Metallen, oder Nichtmetallen, oder Mineralien, sowie Fasern bestehen. Sogar textile Materialien oder Zementöse Materialien können verwendet werden.A wide selection of materials can be used. For example, the particles may be carbon, resin, or any type of synthetic material (organic as well as inorganic), polymers, metals, or non-metals, or minerals, as well as fibers. Even textile or cementous materials can be used.

17a zeigen zwei mögliche Geschwindigkeitsverteilungen810 der Partikel920 in Luft, innerhalb eines Rohres. 17a show twopossible velocity distributions 810 theparticle 920 in air, inside a pipe.

Bei der Ausführungsform zu17a enthält das Rohr eine flache, glatt geformte Rohrinnenwand820, welche zu der Geschwindigkeitsverteilung810 führt. Die Rohrinnenwand820 verlangsamt die Luft in Nähe desselbigen, was zu Differenzgeschwindigkeiten zwischen den sich entlang der Stromrichtung bewegenden erhitzten Partikel925 (bspw. erhitzt, kalt, Gas) führt. Dadurch haben die Partikel925 eine Höchstgeschwindigkeit in zentraler Position des Luftstromes, sowie eine Minimalgeschwindigkeit in Nähe der Rohrinnenwand820. Die dargestellten Geschwindigkeitsverteilungen erzeugen eine dynamische Kraft, welche auf die Partikel925 ausgeübt wird, welche Diese dazu zwingt sich auf die zentrale Position (Rohrmitte) zu zu bewegen, wo die Geschwindigkeit der Luft maximal ist, was zu einem Fokussierungs-Effekt quer zur Rohrrichtung940 führt.In the embodiment too 17a The tube contains a flat, smooth-shaped tubeinner wall 820 leading to thevelocity distribution 810 leads. The pipeinner wall 820 slows the air close to the same, resulting in differential velocities between the heated particles moving along the flow direction 925 (eg heated, cold, gas) leads. This will have the particles 925 a maximum speed in the central position of the air flow, as well as a minimum speed near the pipeinner wall 820 , The illustrated velocity distributions generate a dynamic force which is applied to theparticles 925 is exerted, which forces this to move to the central position (tube center) where the velocity of the air is maximum, resulting in a focussing effect transverse to thetube direction 940 leads.

Diese dynamische Kraft wird druch die verschiedenen Geschwindigkeiten innerhalb des Luftstromes generiert, welche auf den gegenüberliegenden Seiten der Partikel920 wirken. Es wird verstanden, dass diese dynamische Kraft immer solange wirkt, solange die Geschwindkeiten des Luftstromes auf den gegenüberliegenden Seiten der Partikel920 unterschiedlich sind, und daher von der Grösse der Partikel und dem radialen Geschwindigkeitsgradienten abhängen (je grösser dieser Gradient, umso stärker die Kraft). Desweiteren gibt es auch eine Geschwindigkeitsdifferenz innerhalb des Luftstomes, welche auf die gegenüberliegenden Seiten der Partikel wirkt, auch wenn die Geschwindigkeit der Partikel920 weitgehend der Geschwindigkeit des Luftstromes (bspw. an einer speziellen radialen Position) entspricht, wodurch die erwähnte dynamsiche Kraft resultiert. Die resultierende Kraft wird durch die Pfeile935 dargestellt. Da diese Kraft radial zum Rohrquerschnitt orientiert ist, ergibt sich eine Fokussierung der Partikel innerhalb des Luftstromes.This dynamic force is generated by the different velocities within the airflow, which are on opposite sides of theparticles 920 Act. It is understood that this dynamic force always acts as long as the velocities of the air flow on the opposite sides of theparticles 920 are different and therefore dependent on the size of the particles and the radial velocity gradient (the larger this gradient, the stronger the force). Furthermore, there is also a velocity difference within the air stream, which acts on the opposite sides of the particles, even if the velocity of theparticles 920 largely corresponds to the velocity of the air stream (eg at a particular radial position), resulting in the mentioned dynamic force. The resulting force is indicated by thearrows 935 shown. Since this force is oriented radially to the pipe cross-section, there is a focusing of the particles within the air flow.

17b zeigt eine weitere Auführungsform der Rohrwand920. Bei dieser Ausführungsform besteht die Rohrwand920 aus einer nicht-planaren Rohrinnenwand830, welche die Reibung zwischen dem Luftstrom und dem Rohr820 erhöht. Dementsprechend wird die Geschwindigkeit der Luft in Nähe der Rohrwand830 deutlich im Vergleich zu Ausführungsform zu17 reduziert, wobei die Geschwindigkeit im Zentrum weiter aufrecht erhalten wird. Andererseits kann die Geschwindigkeit im Zentrum weiter erhöht werden um die gleiche Druchsatzrate komprimierter Luft durch das Rohr aufrecht zu erhalten, unter der Annahme dass der Kompressor die gleiche Luftmenge bei höherem Druck liefern kann. Als Ergebnis des vergrösserten Geschwindigkeitsdifferenziales der die Partikel umgebenden Luft, wird die Kraft welche die Partikel925 in zetrale radiale Position bewegt erhöht, da die Geschwindigkeitsdifferenzen946 auf den gegenüberliegenden Seiten der Partikel im Vergleich grösser bei Ausführungsform zu17b sind, als bei Ausführungsform zu17a. Die resultierende erhöhte Kraft auf die Partikel925 wird durch die Pfeile936 dargestellt. Die Fokussierung der (heissen oder kalten) Partikel925 innerhalb des Luftstromes kann durch Anpassung der Reibung des Luftstromes gegen die Rohrinnenwand820,830 des Rohres verändert werden. 17b shows a further Auführungsform thepipe wall 920 , In this embodiment, thepipe wall 920 from a non-planar pipeinner wall 830 showing the friction between the airflow and thepipe 820 elevated. Accordingly, the speed of the air near thepipe wall 830 significantly compared to embodiment too 17 reduced, the speed is maintained in the center on. On the other hand, the speed in the center can be further increased to maintain the same rate of compressed air through the pipe, assuming that the compressor can deliver the same amount of air at higher pressure. As a result of the increased velocity differential of the air surrounding the particles, the force becomes theparticles 925 In zetrale radial position moves increased, since thespeed differences 946 on the opposite sides of the particles compared to larger in embodiment too 17b are as in embodiment too 17a , The resulting increased force on theparticles 925 is through thearrows 936 shown. The focusing of the (hot or cold)particles 925 Within the air flow can be adjusted by adjusting the friction of the air flow against the pipeinner wall 820 . 830 of the pipe to be changed.

Bei der Ausführungsform, welche in18 dargestellt wird, wird eine zusätzliche drehbare Düse326 zwischen Partikelstrom-Heizdüse371 und dem Werkstück200 eingesetzt. Die drehbare Düse326 ist mit der Partikelstrom-Heizdüse371 durch ein flexibles Rohr309 verbunden, welches der drehbaren Düse326 erlaubt rotiert zu werden während Diese mit Partikeln aus der Partikelstrom-Heizdüse371 versorgt wird. Im Besonderen kann die Sttrahlungsheizung410 und/oder die Zuführeinheit305 zusammen mit der drehbaren Düse326 rotiert werden. Da die Heizvorrichtung zumindest zu einem gewissen Anteil das 3D-Druckmaterial aufweichen oder klebrig machen kann, kann eine gemeinsame Drehbarkeit den Vorteil erlauben, dass eine mögliche Verstopfung des erhitzten 3D-Druckmateriales in den Rohren/Schläuchen, welche das 3D-Druckmaterial liefern, vermieden werden kann.In the embodiment which is in 18 is shown, an additionalrotatable nozzle 326 between particleflow heating nozzle 371 and theworkpiece 200 used. Therotatable nozzle 326 is with the particleflow heating nozzle 371 through a flexible tube 309 connected, which is therotatable nozzle 326 allowed to be rotated while with particles from the particleflow heating nozzle 371 is supplied. In particular, the stokeheating 410 and / or thefeed unit 305 together with therotatable nozzle 326 be rotated. Because the heater can at least to some extent soften or tackify the 3D printing material, joint rotation may allow the advantage of avoiding potential blockage of the heated 3D printing material in the tubes / tubes that provide the 3D printing material can.

Diese Ausführungsform zeigt desweiteren eine kardanische Aufhängung mit einem Düsenanschluss358, welcher mit der drehbaren Düse326 verbunden ist, und eine Rotation der drehbaren Düse326 um eine oder mehrere Drehachsen ermöglicht. Dies ermöglicht eine Ausrichtung des Partikelstromes aus mehreren Richtungen auf das Werkstück200.This embodiment further shows a gimbal with anozzle port 358 , which with therotatable nozzle 326 is connected, and a rotation of therotatable nozzle 326 allows one or more axes of rotation. This allows alignment of the particle flow from multiple directions onto theworkpiece 200 ,

Die drehbare Düse326 ist derart aufgebaut um den Partikelstrom entlang eines steuerbaren Partikelstrom-Winkels319 auf das Werkstück200 zu lenken. Daher ist der Bereich155, in welchem die Partikel in das Werkstück200 eingebunden werden durch Anpassung des steuerbaren Partikelstrom-Winkels319 konfigurierbar. Die Partikelstrom-Heizdüse371, sowie alle weiteren Komponenten, welche in18 dargestellt werden sind identisch mit denjenigen, welche in den vorigen Ausführungsformen (siehe Ausführungsform zu8a) dargestellt werden.Therotatable nozzle 326 is constructed around the particle flow along a controllableparticle flow angle 319 on theworkpiece 200 to steer. Therefore, thearea 155 in which the particles in theworkpiece 200 be integrated by adjusting the controllableparticle flow angle 319 configurable. The particlestream heating nozzle 371 , as well as all other components, which in 18 are identical to those which in the previous embodiments (see embodiment to 8a ) being represented.

In weiteren Ausführungsformen werden die kardanische Aufhängung356, sowie die drehbare Düse326 wie bei vorherig beschriebenen Ausführungsformen angewandt und eine zusätzliche Beschreibung der weiteren Komponenten entfällt hier. Neben der kardansichen Aufhängung ist jede andere Konfiguration, welche geeignet ist den Partikelstrom-Winkel kontinuierlich, oder in Schritten einzustellen, anwendbar. Beispielsweise eine Stewart Platform (Hexapd), etc.In other embodiments, the gimbals aregimbals 356 , as well as therotatable nozzle 326 as applied in previously described embodiments and an additional description of the other components is omitted here. In addition to the cardanic suspension, any other configuration capable of adjusting the particle flow angle continuously or in steps is applicable. For example, a Stewart Platform (Hexapd), etc.

In weiteren Auführungsformen der vorliegenden Erfindung, wird die Strahlungsheizung eingesetzt um eine oder mehrere Klebelösungen auszuhärten. Desweiteren kann die Strahlung eine chemische Reaktion des 3D-Druckmateriales (oder enthaltene Komponenten) auslösen, wenn auf das Werkstück200 aufgetroffen wird. Zu diesem Zweck ist bei weiteren Ausführungsformen, die Strahlung nicht konstant, sondern variiert in Abhägigkeit zu den angestrebten Funktionen (bspw. um auszuhärten, eine chemische Reaktion auszulösen, etc.). Beispielsweise kann der Partikelstrom aus der Düse als ein Zweikomponentenharz aushärten (mit oder ohne Exposition einer zusätzlichen Strahlung der Strahlungsquelle).In other embodiments of the present invention, the radiant heater is used to cure one or more adhesive solutions. Furthermore, the radiation can trigger a chemical reaction of the 3D printing material (or components contained) when on theworkpiece 200 is encountered. For this purpose, in other embodiments, the radiation is not constant, but varies depending on the desired functions (eg. To cure, trigger a chemical reaction, etc.). For example, the particle stream from the nozzle may cure as a two-component resin (with or without exposure to additional radiation from the radiation source).

19 zeigt eine weitere Ausführungsform, worin mindestens ein Teil der Zuführeinheit300 und der Strahlungsheizung400 in einer 3D-Druck-Einheit500 kombiniert werden, welche zusammen mit dem Werkstück200 und einem Filter698 innerhalb eines Gehäuses111 aufgebaut sind. Das Gehäuse111 ist aufgebaut um eine geschlossene Umgebung für den 3D-Druckprozess zu gewährleisten, sodass das 3D-Druckmaterial110, welches nicht für das Drucken des Werkstückes verwendet wird, wiederverwendet werden kann. Wenn die 3D-Druck-Einheit500 das Material120 zu dem Werkstück200 leitet kann evtl. nur ein Teil155 für den Aufbau des Werkstückes200 verwendet werden. Ein weiterer Anteil198 des 3D-Druckmateriales kann zusammen mit dem Transportgas197 (bspw. Luft oder irgend ein anderes Gas oder Flüssigkeit) um das Werkstück200 strömen. Dieses überschüssige Material198, sowie das Gas197, werden eingesammelt und zu einem Filter698 geleitet, welcher aufgebaut ist, das wieder zuverwendende 3D-Druckmaterial und das Transportgas619 aus der überschüssigen Mischung zu trennen. Das Transportgas619, sowie das recycelte 3D-Druckmaterial628 verlassen das Gehäuse111. Das Trägergas619 wird dem Kompressor602 zugeführt, und das recycelte 3D-Druckmaterial wird dem Materialspeicher603 zugeführt. Zusätzlich wird dem Materialspeicher603 neues zusätzliches 3D-Druckmaterial629 aus dem Materialspeicher608 zugeführt. Der Materialspeicher603 hält das Material620 für die 3D-Druckeinheit500 innerhalb des Gehäuses111 vor. Ausserdem führt der Kompressor603 komprimiertes Gas (jede Art von Gas oder Flüssigkeit) der 3D-Druckeinheit500 innerhalb des Gehäuses111 zu. 19 shows a further embodiment, wherein at least a part of thefeed unit 300 and theradiant heating 400 in a3D printing unit 500 combined, which together with theworkpiece 200 and afilter 698 within ahousing 111 are constructed. Thehousing 111 is designed to provide a closed environment for the 3D printing process, so that the3D printing material 110 , which is not used for printing the workpiece, can be reused. If the3D printing unit 500 the material 120 to theworkpiece 200 possibly can only lead apart 155 for the construction of theworkpiece 200 be used. Anothershare 198 of the 3D printed material can be used together with the transport gas 197 (For example, air or any other gas or liquid) around theworkpiece 200 stream. Thisexcess material 198 , as well as thegas 197 , are collected and become afilter 698 which is constructed, the reusable 3D printing material and thetransport gas 619 to separate from the excess mixture. Thetransport gas 619 , as well as the recycled3D printing material 628 leave thecase 111 , Thecarrier gas 619 gets thecompressor 602 fed, and the recycled 3D printed material is thematerial storage 603 fed. Additionally, the material store becomes 603 new additional3D printing material 629 from thematerial store 608 fed. Thematerial storage 603 Holds thematerial 620 for the3D printing unit 500 inside thecase 111 in front. In addition, the compressor leads 603 compressed gas (any kind of gas or liquid) of the3D printing unit 500 inside thecase 111 to.

Die 3D-Druckeinheit500 zusammen mit dem Kompressor602 und dem Materialspeicher603 kann von identischem Aufbau wie bereits in den vorherigen Ausfürungsformen dargestellt, sein. Die Ausführungsform wie in19 unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsformen nur durch Verwendung eines Gehäuses111 und Vorrichtungen um das ungenutzte Material und Trägergas des 3D-Druckprozesses zurück zu gewinnen und Diese zu recyceln. Dadurch spart die Ausführungsform zu19 3D-Druckmaterial und erhöht die Sicherheit durch das Recyceln des ungenutzten 3D-Druckmateriales und Trägergases. Dementsprechend beziehen sich weitere Ausführungsformen auch auf einen geschlossenen Kreislauf für das 3D-Druckmaterial und das Trägergas, sodass kein 3D-Druckmaterial/Trägergas verloren geht.The3D printing unit 500 together with thecompressor 602 and thematerial storage 603 can be of identical construction as already shown in the previous embodiments. The embodiment as in 19 differs from the previous embodiments only by using ahousing 111 and devices to recover and recycle the unused material and carrier gas of the 3D printing process. This saves the embodiment 19 3D printed material and increases safety by recycling the unused 3D Printing material and carrier gas. Accordingly, other embodiments also refer to a closed circuit for the 3D printing material and the carrier gas so that no 3D printing material / carrier gas is lost.

20 zeigt eine weitere Ausführungsform, welche sich auf eine Kombination der 3D-Druckwerkzeuge, wie in einer der vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben, bezieht. Im Speziellen wird hier eine Vielzahl von 3D-Druckwerkzeugen zu einer Reihe (bspw. eine Linie, oder irgend ein anderes Muster) angeordnet, wobei jede einzelne 3D-Druck Subeinheit mit Material aus einem zentralen Speicher versorgt wird, sowie mit einem Trägergas aus einem Kompressor602 mittels eines Rohrsystems799. Der Materialspeicher603, sowie der Kompressor602, können vom gleichen Typus sein, wie diejenigen, welche in einer der vorherigen Ausführungsformen dargestellt wurden. und das Material und das Trägergas zu der Vielzahl der Mischeinheiten610 liefern. Die Mischeinheit610 kann den gleichen internen Aufbau wie bereits in anderen Ausführungsformen dargestellt, besitzen. Beispielsweise kann die Mischeinheit610 einen Hohlraum307 enthalten um Strahlung von Strahlungsquellen410 zu empfangen, eine Partikelstromsteuerung635, und ist durch das Rohrsystem799 zu dem Kompressor602 verbunden. Zusätzlich kann eine zentrale Steuereinheit740 die Vielzahl der Flusskontrollen635 regeln. Alle Komponenten welche die gleiche Referenzierungsnummer wie in vorweg beschriebenen Ausführungsformen tragen, können ähnlich oder identisch mit denjenigen aufgebaut sein, welche zuvor beschrieben wurden. 20 FIG. 12 shows another embodiment relating to a combination of the 3D printing tools as described in one of the previous embodiments. Specifically, here, a plurality of 3D printing tools are arranged into a series (eg, a line, or any other pattern), each material being supplied with material from a central storage unit, and a carrier gas from acompressor 602 by means of apipe system 799 , Thematerial storage 603 , as well as thecompressor 602 , may be of the same type as those illustrated in any of the previous embodiments. and the material and the carrier gas to the plurality of mixingunits 610 deliver. Themixing unit 610 may have the same internal structure as already shown in other embodiments possess. For example, the mixing unit 610 acavity 307 contain radiation fromradiation sources 410 to receive aparticle flow control 635 , and is through thepipe system 799 to thecompressor 602 connected. In addition, acentral control unit 740 the multitude of river controls 635 regulate. All components bearing the same referencing number as in previously described embodiments may be similar or identical to those described above.

Als Ergebnis ist es möglich ein gesamte Reihe (bspw. die dargestellen Streifen), welche entlang des Werkstückes200 ausgerichtet ist, gleichzeitig zu drucken, sodass das Werkstück, oder die 3D-Druckeinheiten nur entlang einer Richtung bewegt werden müssen um eine Materialschicht des Werkstückes200 aufzutragen. Dementsprechend kann das Werkstück oder die 3D-Druckeinheiten derart konfiguriert sein, um nach dem Auftragen einer Schicht entlang einer vertikalen Richtung bewegt zu werden, und in effizienter und schneller Weise, Schicht für Schicht zu drucken wie in20 dargestellt. Es ist auch möglich die Mischeinheiten610 in einer gesamten Fläche (wie Pixel eines Displays) anzuordnen, sodass nur noch die vertikale Bewegung der 3D-Druckwerkzeuge benötigt wird um das Werkstück entlang dieser vertikalen Richtung zu drucken.As a result, it is possible to have an entire row (for example, the illustrated strips) along theworkpiece 200 is designed to print simultaneously, so that the workpiece, or the 3D printing units only have to be moved along one direction around a material layer of theworkpiece 200 apply. Accordingly, the workpiece or 3D printing units may be configured to be moved along a vertical direction after application of a layer, and in an efficient and rapid manner to print layer by layer as in FIG 20 shown. It is also possible the mixingunits 610 in an entire area (such as pixels of a display), so that only the vertical movement of the 3D printing tools is needed to print the workpiece along this vertical direction.

21 zeigt eine Methode des 3D-Druckes entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Methode beinhaltet: Versorgung mit Druckmaterial S110 für den 3D-Druck, wobei das Druckmaterial durch Erhitzung verschmilzt um das Werkstück zu formen; Sowie das selektive Erhitzen S120 des 3D-Druckmateriales, durch Bestrahlung desselbigen mit einer Strahlung, welche ausreichend ist das 3D-Druckmaterial zu verschmelzen während das 3D-Druckmaterial dem zu formenden Werkstück zugeführt wird. 21 shows a method of 3D printing according to an embodiment of the present invention. The method includes: supplying printing material S110 for 3D printing, whereby the printing material fuses by heating to form the workpiece; And selectively heating S120 the 3D printing material by irradiating the same with radiation sufficient to fuse the 3D printing material while feeding the 3D printing material to the workpiece to be molded.

Dieser Prozess kann auch durch eine Computersteuerung unterstützt oder gesteuert werden, eine Person mit entsprechender Erfahrung kann schnell erkennen, dass die verschiedenen Schritte der vorherig beschriebenen Methoden durch programmierte Computer gesteuert werden können. Es sind auch Ausführungsformen vorgesehen, welche auch Programm-Speichergeräte beinhalten, beispielsweise digitale Datenspeichermedien, welche Maschinen, oder Computer lesbar sind, und maschinenausführbare, oder computerausführbare Programme und Instruktionen kodieren können, wobei die Instruktionen einige, oder alle Schritte der zuvor beschriebenen Methoden steuern, wenn diese auf einem Computer, oder Prozessor ausgeführt werden. Zusätzlich sind Ausführungsformen vorgesehen, welche notwendige Computer-ausführbare Programme beinhalten, welche geometrische Informationen als sequenzierte Instruktionen kodieren, und welche von der 3D-Druckmaschine und im Speziellen des 3D-Druckwerkzeuges interpretiert und ausgeführt werden können.This process can also be assisted or controlled by a computer control, a person of prior experience can quickly recognize that the various steps of the previously described methods can be controlled by programmed computers. Embodiments are also contemplated which also include program storage devices, such as digital data storage media, which are machine or computer readable, and which may encode machine-executable or computer-executable programs and instructions, the instructions controlling some, or all, of the steps of the previously described methods. when running on a computer or processor. In addition, embodiments are provided that include necessary computer-executable programs that encode geometric information as sequenced instructions, and that can be interpreted and executed by the 3D printing machine, and more specifically the 3D printing tool.

Vorteilhafte Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen können wie folgt zusammengefasst werden.Advantageous aspects of the various embodiments may be summarized as follows.

Ausführungsformen beziehen sich auf ein 3D-Druckwerkzeug, wobei Wärme nicht mittels direkten Materialkontaktes, sondern durch Strahlung übertragen wird. Im Gegensatz zu konventionellen Kunststoff-Extrusionsdüsen, gibt es keine erhitzte Kontaktfläche um die Wärmeenergie zum 3D-Druckmaterial zu übertragen. Die 3D-Druck-Düse bleibt kühl. Und im Gegensatz zu konventionellem Laser Sintern, ist das 3D-Druckmaterial in Bewegung während es erhitzt wird und das Material selektiv aufgetragen wird. Es gibt keine Notwendigkeit grosse Anteile oder das gesamte Werkstück vor der Materialanlagerung stark vorzuheizen. Stattdessen kann das Material vor dem Aufschlag auf dem Werkstück erhitzt werden. Jedoch können weitere Ausführungsformen sich auch auf Kombinationen dieser beiden Prozesse (Vor-Erhitzung des Werkstückes sowie Radiation Heating of Particle Jet) beziehen. Beispielsweise kann das Werkstück einen Bereich enthalten, welcher vor-erhitzt wird, und das Pulver kann zusätzlich vor-erhitzt werden bevor es dem Werkstück zugeführt wird.Embodiments relate to a 3D printing tool wherein heat is transferred not by direct material contact but by radiation. Unlike conventional plastic extrusion dies, there is no heated contact surface to transfer the heat energy to the 3D printing material. The 3D pressure nozzle stays cool. And unlike conventional laser sintering, the 3D printing material is in motion while it is heated and the material is selectively applied. There is no need to strongly preheat large portions or the entire workpiece prior to material attachment. Instead, the material may be heated prior to impact on the workpiece. However, other embodiments may also relate to combinations of these two processes (pre-heating of the workpiece and Radiation Heating of Particle Jet). For example, the workpiece may include a portion that is preheated, and the powder may additionally be preheated before being supplied to the workpiece.

Im Vergleich zu konventionellen 3D-Druckprozessen erlauben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen schnelleren 3D-Druckprozess, und das Material kann lokal differenziert angelagert werden (bspw. kann die Zusammensetzung des Druckmateriales und des Werkstückes während des Druckens oder der Herstellung des Werkstückes verändert werden). Dementsprechend kann das Werkstück aus einem Komposit bestehen, welcher sich durch eine kontinuierlich veränderliche Materialzusammensetzung verschiedener Materialien auszeichnet. Desweiteren können Prozesse wie Pigmentierung und Endbearbeitung besser gesteuert werden. Artefakte (beispielsweise Schichtmarken), welche während des 3D-Druckes entstehen, können verringert werden, da die Ausführungsformen eine konstante Prozesskontrolle (bspw. mittels eines Regelkreises) erlauben. Da der gesamte Prozess zuverlässiger ist und beispielsweise die Düse eine widerstandsfähige Komponente darstellt, und da das 3D-Druckwerkzeug selbst weniger erwärmt wird als bei konventionellem FDA 3D-Druck Werkzeugen, werden thermische Belastungen reduziert, was widerrum die Robustheit des 3D-Druckwerkzeuges erhöht. Zusätzlich wird die Aussetzung gegenüber mechanischen Belastungen reduziert. Weitere erreichbare vorteilhafte Eigenschaften, bestehen in einer höheren Auflösung, sowie funktional gestaffelten Materialien, mit der Möglichkeit die dargestellten Techniken im Kontext des direkten industriellen 3D-Druckes in gösseren ökonomischen Massstäben einzusetzen.Compared to conventional 3D printing processes, embodiments of the present invention allow for a faster 3D printing process, and the material can be deposited locally differentiated (eg, the composition of the printing material and the workpiece can be changed during printing or manufacturing of the workpiece). Accordingly, the workpiece may consist of a composite, which is characterized by a continuously variable material composition of different materials. Furthermore, processes such as pigmentation and finishing can be better controlled. Artifacts (for example, layer marks) that arise during 3D printing can be reduced because the embodiments allow a constant process control (for example by means of a control loop). As the whole process is more reliable and, for example, the nozzle is a resilient component, and because the 3D printing tool itself is heated less than conventional FDA 3D printing tools, thermal loads are reduced, which in turn increases the robustness of the 3D printing tool. In addition, the exposure to mechanical stress is reduced. Other achievable advantageous properties consist in a higher resolution, as well as functionally staggered materials, with the ability to use the techniques shown in the context of direct industrial 3D printing in goser economic standards.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch einen grossen Freiraum bei der Herstellung des Werkstückes. Beispielsweise, können flexible oder textile Materialien-, jedoch auch Werkstücke mit hoher Festigkeit gedruckt werden.The present invention also allows a great deal of freedom in the manufacture of the workpiece. For example, flexible or textile materials, but also workpieces with high strength can be printed.

Die Beschreibung der Zeichnungen stellt nur die Prinzipien der Erfindung dar. Es wird daher verstanden, dass diejenigen mit Erfahrung auf dem Gebiet dazu in der Lage sein werden, vielzählige Kombinationen welche auf Ausführungen der dargestellten Prinzipien aufbauen abzuleiten, welche dadurch dem Rahmen der Veröffentlichung zugeordnet werden, wenngleich Ausführungsformen hier nicht explizit beschrieben oder dargestellt werden.The description of the drawings represents only the principles of the invention. It is therefore to be understood that those of skill in the art will be able to derive numerous combinations based on embodiments of the illustrated principles, which are thereby assigned to the context of the publication although embodiments are not explicitly described or illustrated here.

Desweiteren muss beachtet werden dass, während jede Ausführungsform für sich alleine als getrenntes Beispiel steht, in anderen Ausführungsformen die definierten Eigenschaften unterschiedlich kombiniert werden können. Derartige Kombinationen sind durch die Veröffentlichung abgedeckt, es sei denn es wird angemerkt, dass eine spezielle Kombination nicht beabsichtigt ist.Furthermore, it should be noted that while each embodiment is by itself a separate example, in other embodiments the defined characteristics may be combined differently. Such combinations are covered by the publication unless it is noted that a particular combination is not intended.