CN113905840A - 用于由熔融物增材制造三维工件的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于由熔融物(1)、尤其是金属熔融物增材制造三维工件的方法，其中，将熔融物(1)供应给压缩室(2)并且借助压力脉冲通过喷孔(4)以液滴形状排出，其中，压力脉冲借助限界压缩室(2)的可往复运动的活塞(3)产生。根据本发明，在制造开始之前和/或在制造停止时使压缩室(2)排气。其中，在第一步骤中将超声波耦入到在压缩室(2)中存在的熔融物(1)中，该超声波产生力(FBjrk)，该力导致在熔融物(1)中存在的气体下沉；并且在第二步骤中，在结束超声波激励之后，使活塞(3)更深地移入到压缩室(2)中，以便将随后上升的气体经由活塞(3)的引导部(5)排出。此外，本发明还涉及一种用于执行根据本发明的方法的装置。

Description

用于由熔融物增材制造三维工件的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于由熔融物、尤其是金属熔融物增材制造三维工件的方法。本发明还涉及一种用于执行该方法的装置。
背景技术
增材制造方法尤其包括3D打印，在3D打印中将液态或固态材料层状地构建为三维工件。因此，在此尤其提出一种用于3D打印的方法和装置，然而其中，应仅使用液态的、具体而言液化的材料或者说熔融物。
由公开文献DE 10 2016 224 047 A1例如得知一种用于3D打印机、尤其是金属打印机的打印头，该打印头具有构造在壳体中的、用于接收金属的容器。该容器包括熔化区域和用于被熔化或液化的金属的压缩室，其中，熔化区域和压缩室如此连接，使得通过活塞的移动促使液化金属穿过出口。液化的金属在此以液滴的形式排出。
使用上述类型的打印头的3D打印方法也称为“按需滴定(Drop-on-Demand)”方法。在此，液滴形成的可重复性是一个特别的挑战。
如果气体、尤其是空气位于压缩室中，因为气体或空气相比于熔融物是非常易压缩的，则通常不具有可重复性。因为用于排出熔融物的活塞路径通常仅为几个微米或甚至小于一微米，所以液滴排出极其取决于在压缩室中存在多少可压缩的介质。可能地，如此多的气体或空气存在于压缩室中，使得不能一次建立足够压力，以便将熔融物挤压通过喷孔。或者气体或空气在运行期间通过喷孔进入到压缩室中，则存在故障。然而，气体或空气也可以是已经存在于压缩室中的剩余量，该剩余量在给压缩室填充熔融物时未完全被挤掉。为此的原因可以是小角部和/或凹部(Hinterstiche)，其中，邻接表面的润湿性也起作用。
发明内容
相对于上述现有技术，本发明所基于的任务在于，在由熔融物、尤其是金属熔融物增材制造三维工件时改善液滴形成的可重复性。
为了解决该任务，提出具有权利要求1特征的方法以及具有权利要求6特征的装置。本发明的有利扩展方案可由相应的从属权利要求得知。
在所提出的用于由熔融物、尤其是金属熔融物增材制造三维工件的方法中，熔融物被供应给压缩室并且借助压力脉冲通过喷孔以液滴形状排出，所述压力脉冲借助限界压缩室的可往复运动的活塞产生。根据本发明，在制造开始之前和/或在制造停止时使压缩室排气。在此，在第一步骤中将超声波耦入到在压缩室中存在的熔融物中，该超声波产生力FBjrk，该力导致在熔融物中存在的气体下沉。在此，此外在第二步骤中，在结束超声波激励之后，使活塞更深地移入到压缩室中，以便将随后升高的气体经由活塞的引导部排出。
通过在根据本发明的方法中在制造开始之前和/或在制造停止时使压缩室排气，使压缩室至少近似无可强烈压缩的介质，例如空气。由此确保：一方面可以在压缩室中建立用于排出熔融物所需要的压力；而另一方面产生保持恒定的液滴大小。即提供液滴形成所要求的可重复性。
为了压缩室的排气，将超声波，即高频振动耦入到熔融物中。该熔融物将振动传递到在熔融物中作为气泡包含的和/或附着在邻接表面上的气体上。如果是后面的情况，则将气体通过振动首先从表面脱离，使得形成包含在熔融物中的气泡。在超声波激励期间，不同力作用到包含在熔融物中的气泡上，这些力总体上导致气泡下沉。即气泡接近喷孔。如果随后结束超声波激励，则气泡上升，其中，气泡从喷孔朝活塞的方向运动。
在超声波激励期间气泡下沉尤其应归因于力FBjrk(“Bjerknes force皮叶克尼斯力”)。如果结束超声波激励，则该力消除并且浮力FBuo(“buoyancy force”)最后导致气泡在熔融物中上升。
为了排出在熔融物中上升的气泡，随后在另一方法步骤中使活塞更深地移入到压缩室中。如果活塞已经最大地移出，则该活塞首先沿相反方向运动，即从压缩室拉出，并且随后更深地移入到压缩室中。活塞行程在此可以为一个或多个毫米。即在超声波激励之后借助宏观的活塞行程引起一个或多个气泡的排出。
优选地，借助可往复运动的活塞将超声波耦入到熔融物中。为此使活塞处于高频振动中，优选地处于约20kHz或更高的振动中。活塞在此可以经历2000g或更大的加速度。
此外提出，借助促动器，例如借助磁致伸缩促动器、压电陶瓷促动器和/或磁促动器使活塞处于振动和/或往复运动中。如果促动器仅用于活塞的往复运动、尤其实现宏观的活塞行程，则可以选择任意促动器。为了实现高频的活塞振动，优选地使用压电陶瓷促动器，因为该促动器能够实现特别小的行程以及同时实现大的力。有利地，在制造三维工件期间活塞的用于通过喷孔排出熔融物的往复运动和在制造开始之前和/或在制造停止时活塞用于耦入超声波的高频振动利用同一促动器引起。此外，同一促动器可以用于实现宏观的活塞行程，以便在超声波激励之后排出在熔融物中存在的气泡。
在本发明的扩展方案中提出，在超声波激励之前冷却在喷孔的区域中存在的熔融物，直至低于熔融物的固相线(Soliduslinie)。即如此程度地冷却在喷孔的区域中的熔融物，直至该熔融物凝固。由此确保：在制造开始之前没有熔融物通过喷孔排出。
优选地，以分子氮(N2)冷却在喷孔的区域中存在的熔融物。优选地，分子氮(N2)借助喷管从外部被引导至喷孔，使得实现局部受限的冷却。即在压缩室排气之后又可以更快速地液化凝固的熔融物。
此外所提出的用于执行根据本发明的方法的装置包括可填充以熔融物、尤其是金属熔融物的压缩室，该压缩室在一侧被可往复运动的活塞限制，并且在另一侧被具有用于排出熔融物的喷孔的陶瓷体限界。此外，该装置还包括促动器，例如磁致伸缩促动器、压电陶瓷促动器和/或磁促动器，借助该促动器使活塞能够处于高频振动和/或往复运动中。装置的活塞在此具有至少区段地锥形成型的尖端，用于限界压缩室。即尖端尤其可以锥形或截锥形地成型。活塞的至少区段地锥形成型的尖端在移入到压缩室中时促进气泡的“擦除”，使得这些气泡可以容易地从活塞脱离并且从侧面沿着活塞上升，以便随后经由活塞引导部被排出。
优选地，促动器是压电陶瓷促动器，借助该促动器不但能够使活塞处于高频振动中而且能够处于往复运动中。在这种情况下仅须设置一个促动器，或者该装置不必扩展到一个附加的促动器，以执行根据本发明的用于压缩室排气的方法。
即促动器优选地是支持高频的，使得借助促动器能够使活塞处于≥20kHz的高频振动中。
有利地，活塞由陶瓷制造并且因此具有高的强度。活塞与促动器的连接优选地通过活塞杆建立，该活塞杆尤其可以由金属材料制造。活塞杆可以根据长度一件式或多件式地实施。在多件式的实施方案中，在连接区域中应维持足够的应变长度
Figure BDA0003385802040000041
以防止由于热引起的长度变化而导致连接松脱。同时，活塞与促动器的连接不必足够硬，以便能够使活塞处于高频振动中。附加地可以设置特别强的复位弹簧，该复位弹簧将活塞抵着促动器预紧。为了大的正、负加速度不导致在活塞中不允许的应力，应注意的是，仅将压应力而不是拉应力导入到陶瓷中。此外，应取消在力导入区域中的尖锐棱边、尤其是螺纹。
附图说明
在下面根据附图进一步阐述本发明。附图示出了：
图1根据本发明的用于由熔融物增材制造三维工件的装置的示意性纵截面；
图2图1的放大局部；和
图3作用到液体内的气泡上的力的示意图。
具体实施方式
由图1和2示例性地可得知根据本发明用于由熔融物1、尤其是金属熔融物增材制造三维工件的装置的一个优选实施方式。该装置是3D打印机或3D打印机的打印头。
装置的组成部分是可往复运动的活塞3，活塞3限界压缩室2。压缩室2充注有熔融物1。通过活塞3的往复运动(参见图1，在活塞3中的箭头)产生压力脉冲，该压力脉冲导致通过喷孔4排出熔融物1的一部分，所述喷孔构造在限界压缩室2的陶瓷体8中。当前构造为盘形的陶瓷体8通过夹紧套筒14与空心柱形壳体件15连接，该壳体件沿径向方向限界压缩室2。
构造在陶瓷体8中的喷孔4具有直径D，其小于500μm。即需要显著的压力脉冲，以便将熔融物1挤压通过狭窄的喷孔4。压力脉冲借助活塞3产生，该活塞为此通过多件式的活塞杆11与压电陶瓷促动器6连接。通过至少一个弹簧12抵着促动器6预紧活塞杆11和活塞3。
在熔融物1从喷孔4流出时形成不连续的液滴，各液滴在陶瓷体8的下侧上落下(abreiβen)并且在自由落体情况下朝工件支架(未示出)运动。在此，在自由落体情况下的下落线理想地相应于喷孔4的纵轴线，以便能够实现液滴在工件支架上的准确定位。待制造的三维工件因此逐滴地构建在工件支架上。
为了将熔融物1通过喷孔4从压缩室2挤压，必须建立足够高的压力或压力脉冲。这仅当在压缩室2中不存在可强烈压缩的介质，例如空气时是可能的。然而，在装置的运行中可能发生的是，空气从外部通过喷孔4吸入并且因此到达活塞3下方。该空气需要在装置投入运行之前被除去。
即根据本发明的方法，在开始三维工件的真正制造之前使压缩室2排气。为此使活塞3处于高频振动中，通过高频振动将超声波耦入到熔融物1中。熔融物1将振动传递到包含的气体上，使得该气体作为熔融物1中的气泡10下沉。下沉可归因于作用到气泡上的力FBjrk，该力相反于浮力FBuo。同时，可能附着在壳体件15的内周面上的气泡10脱离，这些气泡因此也下沉。如果随后结束超声波激励并且使活塞3更深地移入到压缩室2(参见图2，活塞3中的箭头)中，其中，活塞行程可以为一至多个毫米，则气泡10由于浮力FBuo而向上升高并且经由活塞3的引导部5从压缩室2排出。通过活塞3的锥形成型的尖端9有利于气泡10的排出。
为了在活塞3移入到压缩室2中时没有熔融物1通过喷孔4排出，事先将位于喷孔4的区域中的熔融物1强烈冷却或冷冻。为此，喷孔4的区域从外部用分子氮N2冲洗，其中，为了冲洗可以使用喷管7(参见图1)。如果排气过程结束，则随后又加热并且液化被冷冻的熔融物1，使得可以开始三维工件的真正制造。
在图3中示例性地示出在超声波耦入到液体中期间作用到包含在液体中的气泡10上的力。首先作用有浮力FBuo(“buoyancy force”)，该浮力在没有超声波激励的情况下会导致：液体中的气泡10上升。力FD(“流体阻力drag force”)和力FBjrk(“Bjerknes force”)相反于浮力FBuo作用，这两个力总共大于浮力FBuo，使得液体中的气泡10下沉。
本发明利用该现象，其中，为了最终从压缩室2排出气泡10仅利用了浮力FBuo。

Claims (8)

1.一种用于由熔融物(1)、尤其是金属熔融物增材制造三维工件的方法，在该方法中，所述熔融物(1)被供应给压缩室(2)并且借助压力脉冲通过喷孔(4)以液滴形状排出，所述压力脉冲借助限界所述压缩室(2)的能往复运动的活塞(3)产生，
其特征在于，在制造开始之前和/或在制造停止时使所述压缩室(2)排气，其中，在第一步骤中将超声波耦入到在所述压缩室(2)中存在的熔融物(1)中，所述超声波产生力(FBjrk)，该力导致在所述熔融物(1)中存在的气体下沉；并且在第二步骤中，在结束超声波激励之后，使所述活塞(3)更深地移入到所述压缩室(2)中，以便将随后上升的气体经由所述活塞(3)的引导部(5)排出。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，借助所述活塞(3)将超声波耦入到所述熔融物(1)中，为此使所述活塞处于高频振动中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，借助促动器(6)，例如借助磁致伸缩促动器、压电陶瓷促动器和/或磁促动器(6)使所述活塞(3)处于振动和/或往复运动。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，在超声波激励之前冷却在所述喷孔(4)的区域中存在的熔融物(1)，直至低于所述熔融物(1)的固相线。
5.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，以分子氮(N2)冷却在所述喷孔(4)的区域中存在的熔融物(1)，所述分子氮优选借助喷管(7)从外部被引导至所述喷孔(4)。
6.一种用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的装置，其包括能够填充以熔融物(1)、尤其是金属熔融物的压缩室(2)，所述压缩室在一侧被能往复运动的活塞(3)限界，并且在另一侧被具有用于排出所述熔融物(1)的喷孔(4)的陶瓷体(8)限界；所述装置还包括促动器(6)，例如磁致伸缩促动器、压电陶瓷促动器和/或磁促动器(6)，借助该促动器使所述活塞(3)能够处于高频振动和/或能够往复运动，其中，所述活塞(3)具有至少区段地锥形成型的、用于限界所述压缩室(2)的尖端(9)。
7.根据权利要求6所述的装置，
其特征在于，所述促动器(6)是支持高频的，使得借助所述促动器(6)能够使所述活塞(3)处于≥20kHz的高频振动中。
8.根据权利要求6或7所述的装置，
其特征在于，所述活塞(3)由陶瓷制造和/或通过一件式或多件式的活塞杆(11)与所述促动器(6)连接。
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