CN114829038A - 用于3d打印金属的打印头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于3D打印机、尤其金属打印机的打印头(1)，包括壳体(3)、用于供应金属(14)的装置(28)、活塞(5)、具有排出口(10)的储存容器(7、27)和用于移动活塞(5)的促动器装置(12)，其中，所述储存容器(7、27)具有熔化区域(20)和用于液相(8)的挤出室(21)，其中，所述熔化区域(20)邻接于惰性气氛(22)并且与所述挤出室(21)连接，使得通过所述活塞(5)的移动能够促使所述金属(14)的液相(8)流动通过所述排出口(10)，其中，所述壳体(3)多件式地实施，并且包括至少一个冷却法兰(25)、绝热板(26)和储存容器(7、27)。所述打印头特征在于，所述储存容器(7、27)通过定心装置(50)与所述冷却法兰(25)和/或所述绝热板(26)连接。此外，本发明涉及一种运行和/或调试打印头(1)的方法。

Description

用于3D打印金属的打印头
技术领域
本发明涉及一种适用于打印金属的3D打印机的打印头以及一种用于运行和/或调试打印头的方法。
背景技术
用于热塑性材料的3D打印机获得该材料的固相作为初始材料，从中产生液相，并将该液相选择性地施加在属于要制造的对象的位置处。这种3D打印机包括一个打印头，初始材料在该打印头中熔化。此外，设置用于在打印头与在其上应形成对象的工作面之间产生相对运动的器件。在此，仅打印头、仅工作面或不但打印头而且工作面都可以运动。
打印头具有喷出液体材料的第一运行状态和不喷出液体材料的第二运行状态。例如，当要接近工作面上的另一位置并且在到那里的路径中没有材料沉积时，采用第二运行状态。例如可以在打印头的两种运行状态之间切换，其方式是：打开或关闭固态初始材料的进给。
与热塑性塑料相比，金属具有明显更高的熔点，同时在液态下具有明显更低的粘度。
3D金属打印机、尤其是按需滴下打印机，例如在公开文献DE 10 2016 224 047 A1中所公开的那样，对于工业应用是感兴趣的，然而还必须满足以下要求：
·确保持久运行，
·液滴或构件结构的可重复性，
·在熔化和构件创建方面的能量效率，
·保持低的非生产时间，例如用于调试和在关闭时
·更换易损件。
液态金属通常在陶瓷或类似陶瓷的坩埚或容器中熔化。现在，坩埚与金属打印头的上部之间的相对运动出现问题。
此外，针对促动器的适配限制了材料的使用，因为为了抑制热传输，优选导热性差的材料。在大多数情况下，促动器具有<150℃的工作温度范围，该工作温度范围不应被超过。
发明内容
该任务通过根据本发明的具有权利要求1特征的打印头和用于运行和/或调试打印头的方法来解决。
根据本发明的用于3D打印机、尤其是金属打印机的打印头包括壳体、用于供应金属的装置、活塞、具有排出口的储存容器和用于移动活塞的促动器装置，其中，储存容器具有熔化区域和用于金属液相的挤出室，其中，熔化区域邻接于惰性气氛并且与挤出室如此连接，使得通过活塞的移动能够促使金属液相流动通过排出口。此外，壳体多件式地构造，其中，壳体包括至少一个冷却法兰、绝热板和储存容器。根据本发明，储存容器通过定心装置与冷却法兰和/或绝热板连接。
在一个扩展方案中，定心装置具有至少一个法兰、夹紧装置和定心套筒。
在一个扩展方案中，储存容器通过作用面与法兰如此连接，使得储存容器相对于冷却法兰和/或绝热板同心地定向。
在一个扩展方案中，法兰通过夹紧装置与冷却法兰和/或绝热板连接。
在一个扩展方案中，夹紧装置由夹紧螺钉构成，该夹紧螺钉通过盘形弹簧支撑在冷却法兰上。
在一个扩展方案中，定心套筒如此布置在冷却法兰和/或绝热板中，使得活塞相对于储存容器定心地定向。
因为液态金属通常在陶瓷或类似陶瓷的坩埚或容器中熔化，所以坩埚与金属打印头的上部之间存在相对运动。本发明有利地引起，允许具有不同热膨胀的材料的相对运动，但它们仍然保持相对彼此定心地定位。
由于坩埚和金属框架之间以及与打印头上部的接触面之间的大的相对运动，必须允许轴向和径向的伸展区域，这通过本发明有利地实现。如果仅要保留径向间隙，坩埚则不会对中。于是存在坩埚通过多次相对运动由于多次经过温度变化过程而偏心地贴靠在加热器或感应器上的风险。从而喷嘴将以一定程度移动，由此活塞引导部将与活塞偏心地定向，或者这两个构件将不再彼此对齐。因为这对于可重复的促动和液滴的均匀产生是适得其反的，所以本发明、尤其是定心装置有利地引起同心的定向和弹性的预紧。
此外，本发明有利地引起，能够实现在整个温度变化过程期间有效的“可逆的”定心。此外，有利地避免在陶瓷坩埚或储存容器中可能由于阻碍热膨胀而产生的应力。很大程度上补偿了制造公差，并且由此确保活塞在活塞引导部中的同心位置。
有利地，由此通过打印头中的活塞实现可重复的促动或可重复的压力波动。
熔化区域有利地邻接于惰性气氛。由此确保熔融物上的压力几乎是恒定的，使得该压力不会影响打印质量。此外，惰性气氛引起在储存容器中不会发生不希望的化学反应。例如，惰性气氛可以由氮气或另一种惰性气体形成。
储存容器有利地具有用于熔化金属的熔化区域，其中，该熔化区域邻接于惰性气氛，并且附加地具有挤出室。由此能够将熔化过程在空间上与挤出或打印过程分离，由此改善了液滴或构件的可重复性。在此有利地，存在于挤出室中的金属液相能够通过活塞的移动而促使流动通过排出口。在此，活塞有利地直接位于熔融物上，由此进一步增大打印的精度，因为熔融物几乎是不可压缩的。金属的熔融物或者说液相或者通过重力压力或者通过由重力压力和惰性气体压力的组合从熔化区域到达挤出室中。排出口相应于喷嘴并且能够视储存容器的结构而定进行更换。
有利地，壳体多件式地构造，由此确保合适的温度管理和通过使用不同材料确保持久运行。此外，通过多件式的实施方式，还提供模块化结构，其允许根据需要更换部件。附加地，打印头由多件式壳体如此实施，使得通过不同的构件也实现不同的功能。
附图说明
下面根据附图与本发明的优选实施例的描述一起更详细地示出另外的改进本发明的措施。
附图示出了：
图1示出根据现有技术的打印头的示例，和
图2示出根据本发明的打印头的局部。
具体实施方式
图1示出用于3D打印机、尤其是金属打印机的已知打印头1的示例。
打印头1包括壳体3、用于供应处于固相中的金属14的装置28、活塞5、具有排出口10的储存容器7、27和用于移动活塞的促动器装置12。储存容器7、27具有熔化区域20和用于金属14的液相8的挤出室21，熔化区域20邻接于惰性气氛22并且与挤出室21如此连接，使得通过活塞5的移动能够促使液相8的金属14流动通过排出口10。金属14的液相8也称为熔融物8，并且惰性气氛22通过将惰性气体22引入到储存容器7、27中形成。惰性气体22优选通过打印头1的冷区域引入到储存容器7、27中。
壳体3多件式地构造，其中，壳体包括至少一个冷却法兰25、绝热板26和储存容器7、27。
活塞5多件式地构造，其中，活塞包括至少一个由金属材料制成的活塞杆17和由陶瓷制成的冲头18。活塞杆17从促动器装置12起穿过冷却法兰25和绝热板26伸入到储存容器7、27中，在那里过渡到冲头18中。
冷却法兰25具有用于接收促动器装置12的槽口30，该促动器装置构造为压电促动器12。压电促动器12在运行期间如此固定在槽口30中，使得其在施加电压时对活塞5、尤其是活塞的活塞杆17施加工作行程。活塞杆17将工作行程传递到冲头18上，使得该冲头促使金属14的液相8流动通过排出口10。活塞5可以在促动器12不促动的情况下通过弹簧13返回到初始位置中，其中，弹簧13在冷却法兰25的槽口30中布置在肩部24和促动器12之间。弹簧13构造为盘形弹簧。
此外，冷却法兰25具有用于冷却的冷却通道31。冷却通道31布置在冷却法兰25和绝热板26之间并且被冷却介质冲洗。这用作抵抗由于熔融物8而加热的冷却并且用于在运行时冷却促动器12。冷却法兰25由金属材料构成。
在冷却通道31一侧上贴靠在冷却法兰25上的绝热板26由绝热材料构成并且如此构造，使得减少从储存容器7、27到冷却法兰25的热传递。
用于供应金属14的装置28通到储存容器7、27中并且布置在冷却法兰25和绝热板26中。装置28穿过冷却法兰25和绝热板26突出，并且金属14或待打印材料14能够从外部通过装置28供应。优选地可以使用预配量的材料块或粒料。在从绝热板26到储存容器7、27的过渡部处存在开口29，材料14通过该开口进入到储存容器7、27中。开口29能够被装置32关闭，使得优选地仅在供应材料14时打开该开口，由此减小从储存容器7、27到用于供应金属14的装置28上的辐射能。
储存容器7、27构造为坩埚27，其中，在坩埚27外布置有感应器33，而在坩埚内布置有传感器34、尤其是温度传感器。在坩埚27与感应器33或者说感应器线圈33之间可以可选地存在未示出的绝热体。
金属14以固相14进入到坩埚的熔化区域20中并且被感应器33加热，直至其转变为液相8。在熔融物8达到由温度传感器34求出的所期望的工艺温度时，打印头1可以开始运行。液相8或者说熔融物8通过熔融物8的重力压力或通过由惰性气体22的重力压力和大气压力的组合从冲头18旁进入到挤出室21中。活塞5的冲头18以打印侧19在熔融物8中或者被熔融物8包围并且在与活塞杆17的连接侧处在惰性气氛22中或者被惰性气氛22包围。由工艺引起地，活塞杆17不与熔融物8接触。
冲头18的陶瓷有利地具有非常好的导热性，以便能够将由感应器33产生的热量良好地传递到挤出室21中。
在压电促动器12被促动时，冲头18的打印侧19朝排出口10的方向对挤压室21中的熔融物8施加压力，并且引起液滴15通过储存容器7、27或挤出室21的排出口10排出。排出口10构造为用于喷出金属14的液相8的液滴15，其中，排出口10具有喷嘴10的形状并且能够与坩埚27固定地连接或如在实施例中所示的那样，具有可更换的插入件11，该插入件允许插入不同的喷嘴几何形状。该可更换的插入件11也称为活塞的套筒11或者说导向套筒11。
图2示出根据本发明的打印头的局部，其中，储存容器7、27通过定心装置50与冷却法兰25和/或绝热板26连接。定心装置50具有至少一个法兰51、夹紧装置53和定心套筒55。储存容器7、27通过作用面52与法兰51如此连接，使得储存容器7、27相对于冷却法兰25和/或绝热板26同心地定向。法兰51通过夹紧装置53与冷却法兰25和/或绝热板26连接。夹紧装置53由夹紧螺钉53构成，该夹紧螺钉通过盘形弹簧54支撑在冷却法兰25上。定心套筒55布置在冷却法兰25和/或绝热板26中，使得活塞5相对于储存容器7、27同心地定向。
冷却板40布置在冷却法兰25和绝热板26之间。冷却法兰25在区域60中具有活塞在冷却法兰25中的初始引导部。此外，活塞5通过另一活塞引导件70同心地定位。
打印头1的定向或定位的基础是冷却法兰25。确保相对于绝热体26定位的定心套筒55嵌入到该法兰中。然而，该定心套筒55不能确保圆周上的定向。这种定向通过夹紧螺钉53实现，其中，在该实施例中实现在120°上分布的三个夹紧螺钉53。
因为陶瓷的热膨胀系数明显小于金属，所以螺钉53在轴向上借助弹簧54，例如盘形弹簧54预紧。从而确保了轴向预紧不带有间隙，或者另一方面也不会太强地预紧并且使储存容器7、27或坩埚7、27的脆性陶瓷破坏。法兰51通过锥形构造的作用面52与储存容器7、27连接。圆锥负责构件的定心。
如果可运动的法兰51现在在加热时比坩埚7、27更强烈地膨胀(直径变大约0.1mm)，则法兰51相对于膨胀较小的坩埚7、27向上滑动。然而，与此同时，该法兰继续被压紧到绝热板26或绝热体7、27上。在冷却时正好发生相反情况。在任何情况下，定位都由定心套筒55来保证并且圆周上的定向通过夹紧螺钉53来保证。
轴向的膨胀差异，包括制造公差以相同的方式校正，具体而言在夹紧螺钉53和陶瓷绝热体26之间。

Claims (7)

1.一种用于3D打印机、尤其是金属打印机的打印头(1)，包括壳体(3)、用于供应金属(14)的装置(28)、活塞(5)、具有排出口(10)的储存容器(7、27)和用于移动所述活塞(5)的促动器装置(12)，其中，所述储存容器(7、27)具有熔化区域(20)和用于所述金属(14)的液相(8)的挤出室(21)，其中，所述熔化区域(20)邻接于惰性气氛(22)并且与所述挤出室(21)连接，使得通过所述活塞(5)的移动能够促使所述金属(14)的液相(8)流动通过所述排出口(10)，其中，所述壳体(3)多件式地实施，并且包括至少一个冷却法兰(25)、绝热板(26)和所述储存容器(7、27)，
其特征在于，
所述储存容器(7、27)通过定心装置(50)与所述冷却法兰(25)和/或所述绝热板(26)连接。
2.根据权利要求1所述的打印头(1)，
其特征在于：
所述定心装置(50)具有至少一个法兰(51)、夹紧装置(53)和定心套筒(55)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的打印头(1)，
其特征在于：
所述储存容器(7、27)通过作用面(52)与所述法兰(51)连接，使得所述储存容器(7、27)相对于所述冷却法兰(25)和/或所述绝热板(26)同心地定向。
4.根据前述权利要求中任一项所述的打印头(1)，
其特征在于，
所述法兰(51)通过所述夹紧装置(53)与所述冷却法兰(25)和/或所述绝热板(26)连接。
5.根据前述权利要求中任一项所述的打印头(1)，
其特征在于：
所述夹紧装置(53)由夹紧螺钉(53)构成，所述夹紧螺钉通过盘形弹簧(54)支撑在所述冷却法兰(25)上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的打印头(1)，
其特征在于：
所述定心套筒(55)布置在所述冷却法兰(25)和/或所述绝热板(26)中，使得所述活塞(5)相对于所述储存容器(7、27)定心地定向。
7.一种用于运行和/或调试根据前述权利要求中任一项所述的打印头(1)的方法。
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