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Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, der zum Drucken von Metallen geeignet ist, sowie Verfahren zum Betreiben.
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Stand der Technik
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Ein 3D-Drucker für ein thermoplastisches Material erhält eine feste Phase dieses Materials als Ausgangsmaterial, erzeugt daraus eine flüssige Phase und bringt diese flüssige Phase selektiv an den Stellen, die zu dem zu erzeugenden Objekt gehören, auf. Ein solcher 3D-Drucker umfasst einen Druckkopf, in den das Ausgangsmaterial geschmolzen wird. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, vorgesehen. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.
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Der Druckkopf hat einen ersten Betriebszustand, in dem flüssiges Material aus ihm austritt, und einen zweiten Betriebszustand, in dem kein flüssiges Material aus ihm austritt. Der zweite Betriebszustand wird beispielsweise dann eingenommen, wenn eine andere Position auf der Arbeitsfläche angefahren werden und auf dem Weg dorthin kein Material deponiert werden soll. Zwischen den beiden Betriebszuständen des Druckkopfes kann beispielsweise umgeschaltet werden, indem der Vortrieb des festen Ausgangsmaterials ein- bzw. ausgeschaltet wird.
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Gegenüber thermoplastischen Kunststoffen haben Metalle einen wesentlich höheren Schmelzpunkt und zugleich im flüssigen Zustand eine wesentlich geringere Viskosität. Ein Forschungsansatz zur Lösung der Aufgabe, dem Objekt nur an definierten Stellen flüssiges Metall hinzuzufügen, ist die pneumatische Drop-on-Demand-Technik. Diese Technik wird beispielsweise in (Han-song Zuo, He-jun Li, Le-jua Qi, Jun Luo, Song-yi Zhong, Hai-peng Li, „Effect on wetting behavior on generation of uniform aluminum droplets obtained by pneumatic drop-on-demand technique",Journal of Materials Processing Technology 214, 2566–2575 (2014)) erläutert. Das metallische Ausgangsmaterial wird in einem Reservoir, das an seinem unteren Ende eine offene Düse aufweist, durch eine Induktionsheizung aufgeschmolzen. Um einen Tropfen flüssigen Metalls aus dieser Düse zu treiben, wird das Reservoir durch Zuführen eines Inertgases mit einem Druckpuls beaufschlagt.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein Druckkopf für einen 3D-Drucker entwickelt. Dieser Druckkopf umfasst ein Reservoir für ein Metall. Das Reservoir weist eine Austrittsöffnung für den Ausstoß von Tropfen einer flüssigen Phase des Metalls auf.
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Erfindungsgemäß ist das Reservoir durch einen verschiebbar gelagerten Stempel begrenzt, so dass durch eine Verschiebung des Stempels in Richtung auf die flüssige Phase des Metalls die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregbar ist.
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Es wurde erkannt, dass der Druckkopf auf diese Weise konstruktiv wesentlich einfacher und preiswerter zu bauen ist als ein Druckkopf, der mit der pneumatischen Drop-on-Demand-Technik arbeitet. Der Druckkopf ist außerdem wesentlich einfacher zu miniaturisieren. Je kleiner wiederum das Reservoir für die flüssige Phase des Metalls ist, desto weniger Heizleistung ist für die Erzeugung der flüssigen Phase des Metalls erforderlich und desto weniger Wärme gibt der Druckkopf an die Umgebung ab.
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Durch die im Vergleich zur pneumatischen Drop-on-Demand-Technik wesentlich kompakteren Abmessungen kann der erfindungsgemäße Druckkopf beispielsweise in einen existierenden 3D-Drucker nachgerüstet werden, der ursprünglich für die Verarbeitung thermoplastischer Materialien gedacht war. Insbesondere kann ein solcher 3D-Drucker durch Austausch bzw. Wechsel des Druckkopfes wahlweise für thermoplastische oder für metallische Materialien verwendet werden.
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Der Betrieb des Druckkopfes ist prinzipiell lageunabhängig. Insoweit die flüssige Phase des Metalls durch ihren Schweredruck in Richtung der Austrittsöffnung gedrängt wird, ist eine derartige Dimensionierung der Abmessungen des Reservoirs sinnvoll, dass der atmosphärische Druck von außerhalb des Reservoirs dem Schweredruck entgegenwirkt und mindestens ausreicht, um diesen zu kompensieren. Insbesondere sollte dieser atmosphärische Druck nicht dadurch neutralisiert werden, dass der Teil des Reservoirs, der die flüssige Phase des Metalls beherbergt, mit der Atmosphäre in Verbindung steht.
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Die flüssige Phase des Metalls tritt genau dann aus der Austrittsöffnung aus, wenn der insgesamt von innerhalb des Reservoirs auf die flüssige Phase des Metalls wirksame Druck größer ist als der von außerhalb der Austrittsöffnung wirkende Gegendruck. Es kommen im Wesentlichen zwei Quellen für den von innerhalb des Reservoirs auf die flüssige Phase des Metalls wirkenden Druck in Frage: Zum Einen kann über die Zuführung des Metalls in fester oder flüssiger Form Druck eingeleitet werden. Wird beispielsweise eine feste Phase des Metalls mit einer mechanischen Kraft in den Druckkopf eingeführt und im Druckkopf aufgeschmolzen, so wird die mechanische Kraft unmittelbar in einen Druck in der flüssigen Phase des Metalls übersetzt. Zum Anderen kann hierauf durch die Verschiebung des Stempels eine zweite Druckkomponente aufmoduliert werden. Diese Modulation kann sehr schnell erfolgen, so dass in schneller Folge eine Vielzahl von Tropfen der flüssigen Phase des Metalls erzeugt werden können.
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Dies gilt insbesondere in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, in der ein piezoelektrischer Aktor zur Verschiebung des Stempels vorgesehen ist. Ein solcher Aktor reagiert sehr schnell auf eine elektrische Ansteuerung mit einer Längenänderung. Dabei kann er eine große Kraft von bis zu mehreren 100 Newton ausüben. Der maximale Hub liegt typischerweise in der Größenordnung von 50 µm. Als piezoelektrischer Aktor kann beispielsweise ein in Dieseleinspritzsystemen gebräuchlicher Aktor zweckentfremdet werden.
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Vorteilhaft besteht der Stempel aus einem thermisch isolierenden Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 3 W/(mK) oder weniger. Dieses Material kann insbesondere eine Keramik sein. Die flüssige Phase des Metalls hat Temperaturen von typischerweise 600 bis 1000 °C, von denen ein, beispielsweise piezoelektrischer, Aktor in aller Regel abzuschirmen ist. Ist der Stempel beispielsweise 7 mm dick, kühlt er sich auf einer luftgekühlten Länge von 5 cm bis auf 125 °C ab. Eine aktive Kühlung entlang des Stempels kann diese Länge verkürzen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Reservoir rohrförmig mit zwei Enden. An seinem ersten Ende ist das Reservoir zur Zuführung des Metalls ausgebildet. An seinem zweiten Ende ist es durch den Stempel verschlossen. Die Austrittsöffnung befindet sich dann zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende. Ein Innendruck in der flüssigen Phase des Metalls im Reservoir, der Tropfen der flüssigen Phase des Metalls aus der Austrittsöffnung heraustreibt, kann dann besonders einfach durch das Zusammenspiel der Drücke erzeugt werden, die durch die Zuführung des Metalls einerseits und durch den Stempel andererseits ausgeübt werden. Wird eine feste Phase des Metalls zugeführt, so kann auf diese feste Phase eine mechanische Kraft ausgeübt werden, die in einen Innendruck übersetzt wird; wird am ersten Ende des Reservoirs hingegen die flüssige Phase des Metalls zugeführt, so kann ein in dieser Zuführung herrschender Schweredruck einen Innendruck im Reservoir bereitstellen.
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Alternativ kann in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, in der das Reservoir ebenfalls rohrförmig mit zwei Enden ist und an seinem ersten Ende zur Zuführung des Metalls ausgebildet ist, das Reservoir an seinem zweiten Ende als Austrittsöffnung ausgebildet sein. Das Reservoir ist dann an diesem Ende nicht mehr durch den Stempel verschlossen. Stattdessen weist das Reservoir in dieser Ausgestaltung in seiner Mantelfläche eine zusätzliche Öffnung auf, durch die der Stempel geführt ist. Wird der Druckkopf im Betrieb so orientiert, dass das zweite Ende des Reservoirs zugleich den tiefsten Punkt des Reservoirs darstellt, so wird die Tendenz der durch die Austrittsöffnung hindurchtretenden flüssigen Phase des Metalls verstärkt, sich endgültig vom Reservoir zu lösen. Die Tendenz, stattdessen die Außenwand des Reservoirs zu benetzen, wird vermindert.
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In weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Reservoir an seinem ersten Ende zur Zuführung einer festen Phase des Metalls ausgebildet. Zusätzlich ist eine auf die feste Phase des Metalls wirksame Heizung zur Erzeugung der flüssigen Phase des Metalls vorgesehen. Die flüssige Phase des Metalls wird dann also erst innerhalb des Reservoirs gebildet. Sie ist zwischen dem Stempel und der zugeführten festen Phase des Metalls eingeschlossen, so dass der Innendruck optimal durch das Zusammenspiel der Zuführung mit dem Stempel erzeugt werden kann.
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In weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Heizung eine Induktionsheizung mit mindestens zwei voneinander separat ansteuerbaren Stromkreisen. Auf diese Weise kann das Metall zwischen dem Ort, an dem es in den Druckkopf eintritt, und dem Ort, an dem es in die flüssige Phase übergeht, schrittweise erwärmt werden. Es kann insbesondere erst kurz vor dem Bereich des Reservoirs, in dem die Austrittsöffnung angeordnet ist, verflüssigt werden. Dadurch wird nur ein kleiner Teil des Reservoirs durch den Kontakt mit der flüssigen Phase des Metalls beansprucht. Außerdem kann gegenüber einer schlagartigen Aufheizung des Metalls der Temperaturgradient in der Innenwand des Reservoirs vermindert werden. Ein derartiger Temperaturgradient kann insbesondere bei einem keramischen Reservoir starke mechanische Spannungen erzeugen, durch die das Reservoir schließlich brechen kann.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nimmt der Innendurchmesser des Reservoirs zwischen seinem ersten Ende und seinem zweiten Ende monoton zu. Insbesondere kann dieser Innendurchmesser in dem Bereich, in dem der Stempel in die flüssige Phase des Metalls bewegbar ist, um mindestens einen Faktor 5, also beispielsweise von Drahtdurchmesser 1 mm auf Stempeldurchmesser 5 mm, größer sein als am ersten Ende des Reservoirs. Dadurch kann der Stempel einen größeren Durchmesser aufweisen und pro Einheit Hub mehr Volumen der flüssigen Phase des Metalls verdrängen. Je mehr Volumen der Stempel verdrängen kann, desto größer ist auch das Gesamtvolumen der Tropfen, die insgesamt pro Zeiteinheit aus der Austrittsöffnung ausgestoßen werden können.
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Am ersten Ende des Reservoirs kann die feste Phase des Metalls beispielsweise in Form eines Drahtes zugeführt werden. Der Durchmesser des Drahtes kann beispielsweise im Bereich zwischen 1 mm und 5 mm liegen. Der Draht liegt dort vorzugsweise eng am Innenumfang des Reservoirs an mit einem Spiel von typischerweise 50 µm oder weniger. Der Stempel hingegen kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen 7 mm und 12 mm aufweisen. Hat der Stempel beispielsweise einen Durchmesser von 8 mm, verdrängt er bei einem Hub von 50 µm ein Volumen von 2,5 mm3. Wird beispielsweise angestrebt, Tropfen der flüssigen Phase des Metalls mit einem Durchmesser von 190 µm auszustoßen, so hat jeder einzelne dieser Tropfen ein Volumen von 0,029 mm3. Ein einziger Hub des Stempels von 50 µm kann dann also bis zu 86 dieser Tropfen freisetzen.
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Die wesentliche Funktion des Stempels ist, durch Modulation des Drucks im Reservoir den Ausstoß von Tropfen aus der flüssigen Phase des Metalls zu bewirken. Die Materialquelle für diese Tropfen ist nach wie vor die Zuführung. Um einen kontinuierlichen Strom an Tropfen freizusetzen, sollte der Eintrittsmassenstrom in das Reservoir, aus dem unmittelbar beispielsweise die Vorschubgeschwindigkeit der festen Phase des Metalls ableitbar ist, dem Austrittsmassenstrom durch aus der Austrittsöffnung freigesetzte Tropfen zuzüglich der Leckage zwischen dem Außenumfang des Stempels und dem Innenumfang des Reservoirs entsprechen.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Austrittsöffnung am Ende eines Ableitrohrs angeordnet, in das das Reservoir mündet. Dabei ist der Austrittswinkel der flüssigen Phase des Metalls aus dem Ableitrohr vorteilhaft so dimensioniert, dass die aus dem Ableitrohr austretende flüssige Phase des Metalls nicht in Kontakt mit der Außenwand des Reservoirs kommt. Auf diese Weise wird vermieden, dass die Außenwand mit dem Metall verunreinigt wird, das sich nach dem Erkalten möglicherweise nur noch schwer entfernen lässt.
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Bei einem gegebenen Innendruck im Reservoir, der auf die flüssige Phase des Metalls wirkt, entscheidet abhängig vom Durchmesser der Austrittsöffnung, vom Innendruck sowie von Oberflächenspannung und Viskosität der flüssigen Phase des Metalls die Minimierung der freien Energie darüber, ob sich Tropfen oder ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrom bilden. Es sind daher mit einer gegebenen geometrischen Konfiguration und für ein gegebenes Metall in der Regel nicht beliebige Tropfengrößen herstellbar, sondern nur Tropfengrößen in bestimmten Bereichen oder aber nur bestimmte diskrete Tropfengrößen.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Druckkopfes. Bei diesem Verfahren wird während einer monotonen Bewegung des Stempels in Richtung auf die flüssige Phase des Metalls eine Mehrzahl von Tropfen der flüssigen Phase des Metalls aus der Austrittsöffnung emittiert, indem die Position des Stempels entlang einer in die flüssige Phase des Metalls gerichteten Achse als Treppenfunktion der Zeit t voranschreitet. Dies ist das optimale Zusammenspiel zwischen der Komponente des Innendrucks in der flüssigen Phase des Metalls im Reservoir, die durch die Zuführung des Metalls eingebracht wird, und der Modulation durch den Stempel.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Druckkopfes. Bei diesem Verfahren wird das Metall zwischen dem ersten Ende des Reservoirs und der Austrittsöffnung aufgeschmolzen. Die spezifische Heizleistung pro Einheit Läge des rohrförmigen Reservoirs wird hierbei zwischen dem ersten Ende des Reservoirs und dem Bereich, in dem die flüssige Phase des Metalls gebildet wird, monoton erhöht. Diese Prozessführung wirkt zum Einen besonders schonend auf das Material des Reservoirs, das insbesondere eine Keramik sein kann. Zum Anderen lässt sich diese Prozessführung in besonders einfacher Weise an das stark unterschiedliche Verhalten anpassen, das verschiedene Metalle beim Aufschmelzen zeigen. Verschiedene Metalle benötigen in verschiedenen Temperaturbereichen für eine weitere Erwärmung pro Kelvin unterschiedliche Energiemengen, weil sich die Wärmekapazitäten und Schmelzpunkte verschiedener Metalle in aller Regel unterscheiden und weil in verschiedenen Metallen bei bestimmten Temperaturen Gefügeumwandlungen stattfinden, die Energie kosten.
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Vorteilhaft werden höchstens die dem Stempel am nächsten gelegenen 25 % des Innenvolumens des Reservoirs mit der flüssigen Phase des Metalls belegt. Je geringer dieser Anteil ist, desto weniger Energie ist für die Vorhaltung der flüssigen Phase erforderlich und desto weniger wird das Material des Reservoirs durch den Kontakt mit der flüssigen Phase des Metalls beansprucht.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
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1 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckkopfes mit rohrförmigen Reservoir, dass an seinem zweiten Ende 2b durch den Stempel 4 verschlossen ist.
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2 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckkopfes mit rohrförmigen Reservoir 2, das in seiner Mantelfläche 2i eine zusätzliche Öffnung 2j aufweist, durch die der Stempel 4 geführt ist.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckkopfes 1. Der Druckkopf 1 besitzt ein rohrförmiges Reservoir 2 für das Metall 3 mit einem ersten Ende 2a und einem zweiten Ende 2b. Das Reservoir 2 hat eine Außenwand 2g. Am ersten Ende 2a des Reservoirs 2 wird eine feste Phase 3a des Metalls 3 von links nach rechts zugeführt, was durch den Pfeil verdeutlicht ist. Im Teilbereich 2c des Reservoirs 2 ist auf der Mantelfläche 2i des Reservoirs 2 eine Heizung 6 installiert, die vier voneinander unabhängig ansteuerbare Stromkreise 6a, 6b, 6c und 6d umfasst, über die das Metall 3 jeweils durch Induktionsspulen erwärmt werden kann. Dabei sind die durch die vier Stromkreise 6a, 6b, 6c und 6d eingebrachten Heizleistungen so dimensioniert, dass die feste Phase 3a des Metalls 3 erst in dem Bereich, in dem der vierte Stromkreis 6d das Metall 3 heizt, in die flüssige Phase 3b übertritt.
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Beim Übergang vom Bereich 2c des Reservoirs 2, in dem die Heizung 6 installiert ist, in den Bereich 2d, der in das Ableitrohr 2f mündet, vergrößert sich der Innendurchmesser des Reservoirs 2 deutlich. Dies hat zum Zweck, dass mit einem Hub des Stempels 4, der den Bereich 2d und damit auch das zweite Ende 2b des Reservoirs 2 verschließt, möglichst viel Volumen der flüssigen Phase 3d des Metalls 3 verdrängt werden soll. Der Stempel 4 besteht aus einem ersten Teil 4a, der unmittelbar in Kontakt mit der flüssigen Phase 3b des Metalls 3 kommt, und einer luftgekühlten Verlängerung 4b, entlang derer die Temperatur ausgehend vom Teil 4a auf einen Wert abklingt, der für den piezoelektrischen Aktor 5 am rechten Ende der Verlängerung 4b verträglich ist. Der Stempel 4 wird durch den piezoelektrischen Aktor 5 entlang der in die flüssige Phase 3b des Metalls 3 zeigenden Achse 2h verschoben. Dies ist durch den Doppelpfeil angedeutet. Diese Achse 2h verläuft in Richtung der x-Koordinate. Die y-Koordinatenachse verläuft hierzu senkrecht in der Zeichenebene.
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Die bei der Zuführung der festen Phase 3a des Metalls 3 ausgeübte mechanische Kraft wird unmittelbar zu einem Druck in der flüssigen Phase 3b des Metalls 3 im Reservoir 2 umgesetzt. Eine zweite Druckkomponente wird durch die Bewegung des Stempels 4 eingebracht. Gerade die Modulation des Drucks durch den Stempel 4 führt dazu, dass die flüssige Phase 3b des Metalls 3 in Form von Tropfen 3c aus der Austrittsöffnung 2e am Ende des Ableitrohrs 2f austreten. Dabei ist der Austrittswinkel des Ableitrohrs 2f so dimensioniert, dass die Tropfen 3c das Ableitrohr endgültig verlassen und nicht mit der Außenwand 2g des Reservoirs 2 in Kontakt kommen.
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Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Reservoir 2 an seinem zweiten Ende 2b nicht mehr durch den Stempel 4 verschlossen. Stattdessen mündet das Reservoir 2 an diesem zweiten Ende 2b in das Ableitrohr 2f mit der Austrittsöffnung 2e. Der Stempel 4 ist mit seiner Verlängerung 4b durch die zusätzliche Öffnung 2j in der Mantelfläche 2i des Reservoirs 2 geführt. Der erste Teil 4a des Stempels 4 dichtet die Öffnung 2j gegen die flüssige Phase 3b des Metalls 3 ab. Der Stempel 4 wird im Betrieb des Druckkopfes entlang der Achse 2h verschoben, die auf die flüssige Phase 3b des Metalls 3 gerichtet ist. Im Unterschied zu 1 verläuft diese Achse 2h nunmehr in y-Koordinatenrichtung in der Zeichenebene, während die als Draht vorliegende feste Phase 3a des Metalls 3 nach wie vor entlang der x-Koordinatenrichtung orientiert ist.
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Wird diese Ausführungsform des Druckkopfes im Betrieb so orientiert, dass die x-Koordinatenrichtung nach unten weist, so bildet das zweite Ende 2b des Reservoirs 2 zugleich dessen tiefsten Punkt. Die gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 vorgenommene konstruktive Veränderung hat dann die Wirkung, dass die Tropfen 3c des Metalls 3 stärker dazu tendieren, sich endgültig vom Reservoir 2 zu lösen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Han-song Zuo, He-jun Li, Le-jua Qi, Jun Luo, Song-yi Zhong, Hai-peng Li, „Effect on wetting behavior on generation of uniform aluminum droplets obtained by pneumatic drop-on-demand technique”,Journal of Materials Processing Technology 214, 2566–2575 (2014) [0004]
