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1. WO2020007831 - VORRICHTUNG ZUR HOMOGENISIERUNG VON HARZFORMULIERUNGEN

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Vorrichtung zur Homogenisierung von

Harzformulierungen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Harzformulierungen, insbesondere für den 3D-Druck, sowie die Verwendung einer entsprechenden Vorrichtung zur Homogeni sierung von Harzformulierungen, insbesondere in Zusammenhang mit 3D-Druck.

Zur Erstellung von Gegenständen auf Basis von Computermodellen sind verschiedene 3D-Druckverfahren bekannt, mit denen Materi al Schicht für Schicht aufgetragen und verfestigt wird, sodass am Ende des Druckvorgangs der gewünschte Gegenstand vorliegt. Ein Teil der Druckverfahren verwendet als Ausgangsmaterial flüssige Harzmischungen, die Feststoffe enthalten und die durch Belichtung selektiv gehärtet werden können. Zu diesen Druckverfahren gehören die Stereolithografie (SLA) und das Di gital Light Processing (DLP) , die bspw. in der Herstellung von Dentalteilen zum Einsatz kommen.

Die Harzmischungen sind in unterschiedlichen Farben erhältlich und regelmäßig in 0,5 oder 1 Liter Flaschen abgefüllt. Sie werden je nach Bedarf in einen 3D-Drucker eingefüllt und von diesem zur Erstellung von Gegenständen auf Basis eines dreidi mensionalen Computermodells, bspw. eines Dentalteils, auf be kannte Art und Weise verbraucht.

Für einen qualitativ hochwertigen 3D-Druck ist es erforder lich, dass die vom Drucker verwendete Harzmischung möglichst homogen ist. Aufgrund der in den Harzmischungen enthaltenen Feststoffe tritt aber regelmäßig Sedimentation der Feststoffe auf .

Bekannte Ansätze, die Sedimentation der Harzmischung zu ver hindern oder zumindest zu verzögern, können hierbei nicht an gewendet werden, da sich die Harzmischung aufgrund der dafür erforderlichen Veränderung der Formulierung dann nicht mehr in den derzeit am Markt verfügbaren Druckern verwenden ließe. Beispielsweise ist eine Veränderung der Rheologie im Hinblick auf die Ruhestruktur der Harzmischung grundsätzlich nicht mög lich, da dies zu einer für den 3D-Druck ungeeigneten Verände rung auch der Fließgrenze führen würde. Auch muss die Viskosi tät der Harzmischung für die oben genannten Druckverfahren in einem relativ engen Bereich gehalten werden, sodass generell eine Viskositätserhöhung nicht in Betracht kommt. In den meis ten Fällen ist auch eine Angleichung der Dichte von Harzmi schung und Feststoff regelmäßig nicht möglich.

Da die Sedimentation der Feststoffe in der Harzmischung durch eine Veränderung der Harzmischung nicht verhindert werden kann, wird ein Anwender derzeit angehalten, die Flaschen mit der Harzmischung vor dem Einfüllen in den Drucker für mehrere Minuten gut zu schütteln. Dabei ist es aber regelmäßig nicht möglich, eine reproduzierbare und in jedem Fall ausreichende Homogenisierung der Harzmischung sicherzustellen. Auch sind die für eine ausreichende Homogenisierung erforderlichen

Schüttelzeiten bei Harzmischung aus dem Stand der Technik der art lang, dass deren genaue Einhaltung mehr als fraglich ist. Da die Flaschen nahezu zwingend lichtundurchlässig und damit undurchsichtig sein müssen, um ein verfrühtes Aushärten der Harzmischung durch Lichteinfall zu vermeiden, ist weiterhin eine visuelle Kontrolle, ob die Flasche bereits ausreichend geschüttelt wurde, nicht möglich.

Es hat sich gezeigt, dass bei von Hand zu schüttelnden Fla schen mit Harzmischungen für den 3D-Druck regelmäßig keine gleichbleibende Qualität der Druck-Erzeugnisse sichergestellt werden kann, da die Materialeigenschaften des letztendlichen Druck-Erzeugnisses stark von dem ausreichenden Schütteln der Flaschen abhängt. Insbesondere beim Druck von Dentalteilen sind entsprechende Schwankungen in den Materialeigenschaften, die letztendlich die Qualität des Dentalteils wesentlich mit bestimmen, häufig nicht akzeptabel.

Um auf das manuelle Schütteln der Flaschen mit Harzmischungen verzichten zu können, hat die Firma Nextdent B.V., Soester-berg, NL den Mixer „LC-3DMixer" vorgestellt, mit dem die Harz mischungen in den Flaschen nach dem Prinzip eines Rollenbocks homogenisiert werden können. Zum ausreichenden Durchmischen der Harzmischungen wird dabei - je nach Anwendungsfall - eine Bearbeitungszeit von zweieinhalb oder einer Stunde vorge schrieben, sodass eine kurzfristige Homogenisierung einer Harzmischung zur unmittelbaren Verwendung nicht möglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie eine Verwendung dieser Vorrichtung zu schaffen, mit de nen eine reproduzierbare Homogenisierung einer Harzformulie rung für den 3D-Druck in kurzer Zeit möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch, sowie eine Verwendung dieser Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Demnach betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Homogeni sierung von Harzformulierungen für den 3D-Druck umfassend eine Halterung zur Aufnahme eines Harzformulierungsbehälters mit einem Fassungsvermögen von wenigstens 500 ml, wobei die Halte rung derart exzentrisch mit einer vertikalen Antriebswelle verbunden ist, dass die Halterung bei Rotation der Antriebs welle in einer kreisförmigen Bewegung um die Achse der An- triebswelle oszilliert, wobei die Halterung mit hoher Ge schwindigkeit in einer Kreisbahn bewegt wird, ohne dass ein darin aufgenommener Harzformulierungsbehälter selbst rotiert.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung der erfin dungsgemäßen Vorrichtung zur Homogenisierung einer Harzformu lierung in einem Harzformulierungsbehälter, wobei der Harzfor mulierungsbehälter mit der darin enthaltenen Harzformulierung in die Halterung der Vorrichtung eingesetzt und anschließend in einer kreisförmigen Bewegung um die Achse der Antriebswelle oszilliert wird.

Die Erfindung hat erkannt, dass für die Homogenisierung von Harzformulierungen für den 3D-Druck in den Harzformulierungs behältern, in denen sie auch gelagert werden, eine Durchmi schung nach dem Vortexprinzip, welches von Vortexmischern zum Durchmischen von Lösungen in Reaktionsgefäßen, wie Reagenzglä sern, Eppendorfcups oder Mikrotiterplatten aus biologischen und biochemischen Laboratorien bekannt ist, vorteilhaft ist. Bei dem erstmals in US 3,061,280 beschriebenen Prinzip wird der mit der zu durchmischenden Lösung gefüllte Behälter mit hoher Geschwindigkeit in einer Kreisbahn bewegt, ohne dass da bei der Behälter selbst rotiert. Da die mit bekannten Vor texmischern verwendbaren Gefäße nur ein geringes Fassungsver mögen und somit auch bei vollständiger Befüllung nur ein ge ringes Gewicht aufweisen, ist vielfach lediglich eine kreis förmig oszillierende Platte vorgesehen, an welche die entspre chenden Gefäße per Hand angehalten werden.

Die für Laboratorien entwickelten Vortexmischer sind für die Homogenisierung von Harzformulierungen, die regelmäßig nur in Harzformulierungsbehältern mit 500 ml oder mehr Fassungsvermö gen vorliegen, und der erforderlichen Mischdauer jedoch unge eignet .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist hingegen eine Halterung zur Aufnahme eines eben solchen Harzformulierungsbehälters mit 500 ml oder mehr Fassungsvermögen auf und ermöglicht so die Homogenisierung einer darin enthaltenen Harzformulierung.

Die Halterung, welche einen Harzformulierungsbehälter wenigs tens so ausreichend sicher aufnehmen kann, dass auch beim Be trieb der Vorrichtung keine weitere Befestigung des aufgenom menen Harzformulierungsbehälters oder ein Festhalten erforder lich ist, ist exzentrisch derart mit einer vertikalen An triebswelle verbunden, dass die Halterung bei Rotation der An triebswelle in einer kreisförmigen Bewegung um die Achse der Antriebswelle oszilliert. Indem die Halterung und damit der darin aufgenommene Harzformulierungsbehälter „oszilliert", kommt zum Ausdruck, dass eine Rotation der Halterung und des Harzformulierungsbehälters nicht vorgesehen ist.

Durch die beschriebene kreisförmige Oszillation ist bereits eine gute Homogenisierung einer Harzformulierung in kurzer Zeit möglich. Um eine gewünschte Homogenisierung noch zügiger zu erreichen, ist bevorzugt, wenn ein Ultraschallgeber zur Einbringung von Vibrationen der Halterung und/oder der An triebswelle in Richtung der Achse der Antriebswelle vorgesehen ist. Durch einen entsprechenden Ultraschallgeber kann die in dem Harzformulierungsbehälter enthaltene Harzformulierung nicht nur kreisförmig oszilliert, sondern zusätzlich auch in vertikaler Richtung mit einer Frequenz im Ultraschallbereich vibriert werden. Dadurch können insbesondere Feststoffanteile in der Harzformulierung noch besser verteilt werden.

Es hat sich gezeigt, dass für eine zügige Homogenisierung die Temperatur der Harzformulierung eine nicht unwesentliche Rolle spielt. Es ist daher bevorzugt, wenn die Vorrichtung eine Tem-perier-Einrichtung zum Temperieren eines in die Halterung auf- genommenen Harzformulierungsbehälters aufweist. Weiter bevor zugt weist die Temperier-Einrichtung einen Temperaturfühler zur Ermittlung der Temperatur der Harzformulierung und/oder des Harzformulierungsbehälters auf. Mithilfe des Temperatur fühlers kann auf bekannte Art und Weise die Einhaltung einer Solltemperatur sichergestellt werden, indem die Temperier-Einrichtung anhand der Abweichung von Soll-Temperatur und durch den Temperaturfühler erfassten Ist-Temperatur geregelt wird. Die für die Homogenisierung bevorzugte Temperatur kann für jede Harzformulierung unterschiedlich sein. In der Regel liegt sie aber oberhalb üblicher Raumtemperaturen, sodass es ausreichend sein kann, wenn die Temperier-Einrichtung zum Er wärmen der Harzformulierung bzw. des Harzformulierungsbehäl ters ausgebildet ist.

Um die gewünschte sichere Aufnahme des Harzformulierungsbehäl ters sicherzustellen, ist es bevorzugt, wenn die Halterung be cherförmig zur teilweisen Aufnahme eines Harzformulierungsbe hälters ausgestaltet ist. Um die Sicherheit der Aufnahme noch weiter zu erhöhen, können Klemmelemente für eine Kraftschluss-verbindung mit dem Harzformulierungsbehälter vorgesehen sein. Bei den Klemmelementen kann es sich bspw. um nach innen ge richtete elastisch verformbare Klemmen handeln.

Um die Vorrichtung mit verschiedenen Formen und Ausgestaltun gen von Harzformulierungsbehältern verwenden zu können, ist bevorzugt, wenn die Halterung auswechselbar ausgestaltet ist. Es ist dann möglich, unterschiedliche Halterungen für unter schiedliche Harzformulierungsbehälter bereitzustellen und bei Bedarf zu verwenden.

Die Vorrichtung kann eine speicherprogrammierbare Steuerungs einheit zur Steuerung der Rotation der Antriebswelle, dem Ult raschallgeber und/oder der Temperier-Einrichtung aufweisen.

Die Steuerungseinheit ist dann so programmierbar, dass die Be triebsparameter der Vorrichtung an die zu homogenisierende Harzformulierung angepasst sind. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Steuerungseinheit eine Erfassungseinheit, vorzugswei se ein RFID-Lesegerät oder ein optisches Lesegerät, wie einen Barcode-Scanner, zum Erfassen einer Kennung eines in die Auf nahme eingesetzten oder nach Erfassung einzusetzenden Harzfor mulierungsbehälters aufweist und dazu ausgebildet ist, in Ab hängigkeit der erfassten Kennung ein Homogenisierungsprogramm aus dem Speicher zu laden und auszuführen. Wird eine entspre chende Kennung des Harzformulierungsbehälters erfasst, können daraufhin die geeigneten Betriebsparameter zur Homogenisierung der darin enthaltenen Harzformulierung aus dem Speicher gela den werden, womit eine evtl, erforderliche manuelle Program mierung entfallen kann.

Zur grundsätzlichen Erläuterung der erfindungsgemäßen Verwen dung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf die vorstehen den Ausführungen verwiesen.

Verfügt die Vorrichtung über Ultraschallgeber und/oder eine Temperier-Einheit ist es grundsätzlich möglich, diese gleich zeitig mit der Rotation der Antriebswelle zu aktivieren. Es ist aber auch möglich, diese gemäß einem vorgegebenen Homoge nisierungsprogramm nacheinander und/oder nur teilweise gleich zeitig zu betreiben. So ist bspw. denkbar, eine Harzformulie rung erst auf eine gewünschte Soll-Temperatur zu erwärmen und/oder evtl, vorhandene Sedimente durch Aktivierung des Ult raschallgebers aufzulockern, bevor die Antriebswelle rotiert wird. Das Homogenisierungsprogramm kann bspw. über eine er fasste Kennung eines Homogenisierungsbehälters ausgewählt und ausgeführt werden.

Es ist bevorzugt, wenn die Rotation der Antriebsachse mit ei ner Rotationsgeschwindigkeit von 500 bis 4000 U/min, vorzugs weise von 1000 bis 3500 U/min beträgt und/oder auf eine Zeit dauer von maximal 10 Minuten, vorzugsweise von maximal 5 Minu ten begrenzt ist. Weiter bevorzugt ist es, wenn die Temperier-Einrichtung die Harzformulierung und/oder den Harzformulie rungsbehälter auf eine vorgegebene Solltemperatur, vorzugswei se auf 25 °C oder 35 °C, erwärmt.

Die Vorrichtung kann weiterhin einen Füllmengensensor zur Er fassung der Menge der Harzformulierung in einem in die Aufnah me eingesetzten Harzformulierungsbehälters aufweisen.

Der Füllmengensensor kann dabei dazu ausgebildet sein, die Füllmenge über das Gewicht einer in die Aufnahme eingesetzten Harzformulierungsbehälters zu ermitteln. Der Füllstand kann dabei bspw. aus der Differenz zwischen gemessenem Gewicht und dem Gewicht des leeren Harzformulierungsbehälters ermittelt werden, wobei für das Gewicht des leeren Harzformulierungsbe hälters ein Standardwert, ein durch den Benutzer vorgegebener Wert oder ein anhand der über die Erfassungseinheit erfassten Kennung des Harzformulierungsbehälters zugeordneter Wert ver wendet werden kann.

Alternativ dazu kann der Füllmengensensor als Füllstandsensor ausgebildet sein. Der Füllstand der Harzformulierung im Harz formulierungsbehälter kann dabei optisch ermittelt werden. Es ist aber bevorzugt, wenn der Füllstandsensor einen Ultra schallsensor umfasst, der anhand der Laufzeiten von in die Harzformulierung eingebrachten Ultraschallwellen den Füllstand ermittelt. Die fraglichen Ultraschallwellen können - sofern dieser als Transceiver ausgestaltet ist - vom Ultra

schallsensor selbst ausgehen. Es ist aber ggf. auch möglich, auf einen Ultraschallgeber zur Einbringung von Vibrationen der Halterung zurückzugreifen, um die für die Laufzeitmessung er forderlichen Ultraschallwellen in die Harzformulierung einzu bringen .

Es ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Wand des Harzformulierungsbehälters im in die Aufnahme eingesetzten Zu stand zumindest in dem Bereich des Ultraschallsensors für die Ultraschallwellen durchlässig sein muss, damit der Füllstand der darin befindlichen Harzformulierung erfasst werden kann. Ist dies nicht der Fall, kann aber lediglich der Füllstand nicht automatisiert ermittelt werden, während die anderen Funktionen der Vorrichtung weiterhin vollständig zur Verfügung stehen. In diesem Fall kann ein Standardwert herangezogen oder der Benutzer zur Eingabe eines ungefähren Füllstandes aufge fordert werden, der dem Homogenisierungsvorgang zugrunde ge legt werden.

Es ist nämlich bevorzugt, wenn der ermittelte oder vorgegebene Füllstand durch die Steuerungseinheit bei der Wahl eines ge speicherten Homogenisierungsprogramms berücksichtigt wird oder ein gespeichertes Homogenisierungsprogramm von der Steuerungs einheit gemäß dem Füllstand angepasst wird. So kann bspw. in Abhängigkeit des Füllstands, insbesondere bei niedrigem Füll stand, der Anteil an vertikalen Vibrationen erhöht werden. Dadurch kann auch bei bereits teilentleerten Harzformulie rungsbehältern eine gute Homogenisierung der Harzformulierung sichergestellt werden.

Die Erfindung wird nun anhand einer vorteilhaften Ausführungs form unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beispiel haft beschrieben. Es zeigt:

Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Ausführungs beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Homogenisierung von Harzformulierungen für den 3D-Druck gezeigt.

Die Vorrichtung umfasst eine becherförmige Halterung 2, in die ein Harzformulierungsbehälter 20, in diesem Fall eine 1-Liter-Flasche, eingesetzt werden kann. Um den Harzformulierungsbe hälter 20 in der Halterung 2 zu sichern, sind Teile der Außen wand der Halterung 2 als nach innen gerichtete Klemmen 3 aus gebildet, die elastisch nachgebend den Harzformulierungsbehäl ter 20 kraftschlüssig in der Halterung 20 sichern.

Die Halterung 2 ist exzentrisch mit der vertikal ausgerichte ten Antriebswelle 4 verbunden. Dazu weist die eigentliche Wel le 5, welche auch die Achse 4' der Antriebswelle bildet, an dem der Halterung 2 zugewandten Ende einen Ausleger 6 auf, an dem die Halterung 2 über einen zentralen Stift 7 über ein La ger 8 befestigt ist. Wird die Antriebswelle 4 mithilfe der An triebseinheit 9 in Rotation versetzt, beschreibt der Stift 7 und damit die Halterung 2 eine kreisförmige Bewegung, wobei die Halterung 2 aufgrund des Lagers 8 grundsätzlich selbst nicht in Rotation versetzt wird. Um sicherzustellen, dass die Halterung 2 selbst tatsächlich nicht in Rotation versetzt wird, wird ein daran angeordneter Führungsstift 10 in einer länglichen Führung 11 im Gehäuse 12 der Vorrichtung 1 geführt.

In den zentralen Stift 7 ist ein Ultraschallgeber 13 inte griert, mit dem die Halterung 2 in vertikale Vibration ver setzt werden kann.

Am Boden der Halterung 2 ist eine Wärmeplatte als Temperier-Einheit 14 für den Harzformulierungsbehälter 20 und damit der darin enthaltenen Harzformulierung angeordnet, die weiterhin einen Temperaturfühler 15 zur Erfassung der Temperatur des Harzformulierungsbehälters 20 umfasst.

In die Temperier-Einheit 14 ist ein Füllmengensensor 19 inte griert. Der Füllmengensensor 19 ist als Ultraschallsensor, ge nauer als Ultraschalltransceiver, ausgestaltet, der Ultra schallwellen durch die Wand des Harzformulierungsbehälters 20 in die Harzformulierung einbringen und die Laufzeit der an der Oberfläche der Harzformulierung reflektierten Ultraschallwel len messen kann. Aus dieser Laufzeit ergibt sich der Füllstand der Harzformulierung im Harzformulierungsbehälter 20, der un mittelbar die Füllmenge wiederspiegelt.

Die Antriebseinheit 9, der Ultraschallgeber 13 und die Tempe rier-Einheit 14 sind über nicht dargestellte Steuerleitungen mit der speicherprogrammierbaren Steuerungseinheit 16 verbun den und werden von dieser gesteuert. Der Füllmengensensor 19 ist ebenfalls über eine nicht darstellte Datenleitung mit der Steuerungseinheit 16 verbunden, um der Steuerungseinheit 16 die ermittelte Füllmenge zu übermitteln. Die Steuerungseinheit 16 weist weiterhin ein RFID-Lesemodul 17 und einen Speicher 18 auf. Im Speicher 18 sind verschiedene Homogenisierungsprogram me abgelegt.

Die Steuerungseinheit 16 ist dazu ausgelegt, bei Einsetzen ei nes Harzformulierungsbehälters 20 in die Halterung 2 einen am Harzformulierungsbehälter 20 angeordneten RFID-Chip 21 auszu lesen. Auf dem RFID-Chip 21 ist eine Kennung hinterlegt, wel che die in dem Harzformulierungsbehälter 20 enthaltene Harz formulierung kennzeichnet. Gleichzeitig wird über den Füllmen gensensor 19 die Füllmenge im Harzformulierungsbehälter 20 er mittelt, wobei anhand der über den RFID-Chip 21 ausgelesenen Kennung ggf. in dem Speicher 18 hinterlegten Korrekturfaktoren für die Füllmenge, die bspw. die Wanddicke oder die Form des Aufnahmeraums des Harzformulierungsbehälters 20 abbilden, her angezogen werden, um so aus dem originär mit dem Füllmengen sensor 19 lediglich ermittelten Füllstand die Füllmenge mög lichst exakt abzuleiten.

Die Steuerungseinheit 16 prüft dann, ob im Speicher 18 ein für die ausgelesene Kennung und/oder die ermittelte Füllmenge ge eignetes Homogenisierungsprogramm hinterlegt ist und steuert daraufhin die Antriebseinheit 9, der Ultraschallgeber 13 und die Temperier-Einheit 14 entsprechend dem geladenen Homogeni sierungsprogramm, welches eine ausreichende Homogenisierung der im Harzformulierungsbehälter 20 enthaltenen Harzformulie rung gewährleistet. Dabei können für unterschiedliche Füllmen gen unterschiedliche Homogenisierungsprogramme hinterlegt sein, oder ein für eine bestimmte Kennung hinterlegtes Homoge nisierungsprogramm lässt sich über die Füllmenge als Parameter an die ermittelte Füllmenge anpassen.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgegeben, dass der Harzformulierungsbehälter 20 zunächst auf 25 °C erwärmt werden soll, bevor anschließend die Antriebseinheit 9 die Antriebs welle mit 2500 U/min bei gleichzeitiger Aktivierung des Ultra schallwandlers 13 für 5 Minuten betrieben wird.

Dazu wird zunächst geprüft, welche Temperatur des Harzformu lierungsbehälters 20 durch den Temperaturfühler 15 erfasst wird. Liegt diese Temperatur unter den gewünschten 25 °C, wird die Temperier-Einheit 14 aktiviert, bis die Soll-Temperatur erreicht ist.

Sobald die Soll-Temperatur erreicht ist, wird die Temperier-Einheit 14 deaktiviert und die Antriebseinheit 9 mit der Soll-Umdrehungszahl sowie der Ultraschallwandler 13 aktiviert.

Gleichzeitig beginnt intern in der Steuerungseinheit 16 ein Timer über fünf Minuten. Nach Ablauf des Timers werden An triebseinheit 9 und Ultraschallwandler 13 deaktiviert. Der Harzformulierungsbehälter 20 enthält zu diesem Zeitpunkt voll ständig homogenisierte Harzformulierung.

Der Harzformulierungsbehälter 20 kann dann entnommen und die darin enthaltene Harzformulierung auf gewohnte Weise einem 3D-Drucker (nicht dargestellt), bspw. zur Herstellung eines Den talteils, zugeführt werden.