DE102017208420A1

DE102017208420A1 - Füllstandsmessung für flüssiges Metall in einem 3D-Druckkopf

Info

Publication number: DE102017208420A1
Application number: DE102017208420.0A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Herbster
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2018-11-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (36) zur Messung des Füllstands (h) eines flüssigen Metalls (8) in einem Reservoir (27) eines Druckkopfes (1) für einen 3D-Drucker umfassend zumindest zwei Messmittel (41, 42, 43) und zumindest ein Messgerät (51, 52).Sie zeichnet sich dadurch aus, dass bei Erreichen eines Sollfüllstands (h) zumindest zwei Messmittel (41, 42, 43) in dem flüssigen Metall (8) angeordnet sind und/oder mit dem flüssigen Metall (8) in Kontakt sind.Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung des Füllstands (h) und ein Computerprogrammprodukt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Füllstands eines flüssigen Metalls in einem Druckkopf für einen 3D-Drucker, sowie ein Verfahren zur Messung des Füllstands und ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des Verfahrens.
Stand der Technik
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.
Derzeit befinden sich Druckköpfe in der Entwicklung, die auch metallische Ausgangsmaterialien verarbeiten können. Auf Grund des im Vergleich zu thermoplastischen Kunststoffen wesentlich höheren Schmelzpunktes von Metallen ist es in der Regel nicht möglich, das Metall on-demand genau in dem Moment, in dem es aufgebracht werden soll, zur flüssigen Phase aufzuschmelzen. Daher umfassen Druckköpfe für Metalle in der Regel einen Tiegel, in dem die flüssige Phase des Metalls bevorratet wird.
Bei derartigen Tiegeln stellt sich die Frage, wie der Füllstand h zu kontrollieren ist, damit der Nachschub der festen Phase des Metalls entsprechend koordiniert werden kann. Sensoren, die im Tiegel selbst angebracht sind, sind auf Grund der hohen Temperaturen stark verschleißanfällig, insbesondere, wenn das Metall zusätzlich noch chemisch reaktiv ist. Messvorrichtungen mit eine optischen oder akustischen Abstandssensor benötigen viel Bauraum und noch dazu ein Zugangsfenster zum Tiegel, das beschlagen und die Messung unterbrechen kann. Aufgrund der hohen Temperaturen in dem Schmelztiegel können diese Sensoren nicht in den Bauraum des Tiegels verbaut werden, bzw. die Funktionen sind stark eingeschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die dem Bauraum eines Schmelztiegels, bzw. eines Reservoirs angepasst ist und auf günstige Weise den Füllstand eines flüssigen Metalls in dem Reservoir ermittelt.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung des Füllstands mit den Merkmalen des Anspruchs 1, dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung des Füllstands gemäß Anspruch 8 erfüllt und dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 12 erfüllt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung des Füllstands eines flüssigen Metalls in einem Schmelztiegel, bzw. Reservoir eines Druckkopfes für einen 3D-Drucker umfasst zumindest zwei Messmittel und zumindest ein Messgerät, wobei bei Erreichen eines Sollfüllstands in vorteilhafter Weise zumindest zwei Messmittel in dem flüssigen Metall angeordnet sind und/oder mit dem flüssigen Metall in Kontakt sind.
Durch den direkten Kontakt der zumindest zwei Messmittel, bzw. Sensoren, wenn diese mit dem flüssigen Metall im Reservoir bei Erreichen eines Sollfüllstands in Berührung kommen, wird in einfacher Weise dafür gesorgt, dass der Füllstand gemessen, bzw. wiedergegeben wird. Dieser Aufbau ist gegenüber berührungslosen Messverfahren weniger störanfällig und weniger durch äußere Einflüsse beeinflussbar. Ferner ist keine Öffnung, wie beispielsweise ein Guckloch, nötig, so dass der Druckkopf günstiger herstellbar ist. Das zumindest eine Messgerät nimmt in vorteilhafter Weise die Messwerte der Messmittel auf und lässt je nach ermitteltem Messwert Rückschlüsse auf den Füllstand des flüssigen Metalls in dem Reservoir des Druckkopfes zu. Dadurch kann in vorteilhafter Weise ein Materialnachschub durch eine Nachfülleinheit geregelt werden so dass ausreichend Material, bzw. flüssiges Metall zum Ausbringen aus dem 3D-Druckkopf vorgehalten wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Reduktion der Anzahl an Teilen für eine Messvorrichtung gegenüber optischen und akustischen Vorrichtungen. Ferner stellt sie ein robustes System zur Ermittlung des Füllstands dar.
Das flüssige Metall ist in vorteilhafter Weise elektrisch leitfähig, wodurch es die bei Erreichen eines Sollfüllstands, mit dem flüssigen Metall in Kontakt stehenden Messmittel miteinander kontaktiert und das Messgerät einen entsprechenden Messwert aufnehmen kann.
Das flüssige Metall befindet sich während eines Druckprozesses im Reservoir, bzw. im Schmelztiegel und bildet einen Schmelzbereich. Der Schmelzbereich grenzt in vorteilhafter Weise an eine inerte Atmosphäre an. Dadurch wird sichergestellt, dass der Druck auf der Schmelze nahezu konstant ist, so dass dieser keine Auswirkung auf die Druckqualität hat. Ferner sorgt die inerte Atmosphäre dafür, dass keine ungewünschte chemische Reaktion im Reservoir stattfindet, was eine positive Auswirkung auf die Oberfläche des flüssigen Metalls hat und dadurch die Messwerte zur Messung des Füllstands optimiert. Beispielsweise kann die inerte Atmosphäre aus Stickstoff oder einem anderen Inertgas gebildet sein.
Das Reservoir ist als Schmelztiegel ausgebildet, wobei außerhalb des Schmelztiegels ein Induktor angeordnet ist.
Die vorteilhafte Anordnung des Induktors außerhalb des Schmelztiegels ermöglicht eine schnelle Inbetriebnahme des Druckkopfs und es sind Temperaturen von bis über 1000°C möglich, wodurch viele metallische Druckmaterialien zum Drucken verwendet werden können. Ein innerhalb des Schmelztiegels angeordneter Temperatursensor sorgt beispielsweise dafür, dass der Induktor über ein Regel- und Steuersystem derart ansteuerbar, dass der Energieeinsatz über eine Temperaturregelung effizient ermöglicht wird. Die Temperatur der Schmelze kann so effizient und materialschonend in einem optimalen Bereich gehalten werden, wodurch ein dauerhafter Betrieb des Druckkopfs ermöglicht wird.
In einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung zwei Messmittel und ein Messgerät und der Sollfüllstand entspricht einem maximalen Füllstand des flüssigen Metalls im Reservoir.
Diese Ausführung verzichtet auf die Anzeige eines minimalen Füllstandes und gibt ausschließlich an, ob ein Sollfüllstand erreicht ist oder nicht. Durch diese Ausführung kann in vorteilhafter und einfacher Weise ein binäres Signal erzeugt werden wodurch eine Nachfülleinheit binär angesteuert werden kann und beispielsweise Material so lange nachfüllt, bis der gewünschte Sollfüllstand erreicht ist. Der Sollfüllstand ist erreicht wenn beide Messmittel mit dem flüssigen Metall in Kontakt stehen, bzw. in dem flüssigen Metall angeordnet sind und dadurch über das flüssige Metall kontaktiert sind, wodurch das Messgerät einen entsprechenden Messwert erhält.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung zumindest drei Messmittel und zwei Messgeräte und der Sollfüllstand entspricht einem Füllstand zwischen einem minimalen Füllstand und einem maximalen Füllstand des flüssigen Metalls im Reservoir. Durch diese Anordnung der Messmittel kann in vorteilhafter Weise der Füllstand des flüssigen Metalls zwischen zwei Punkten, bzw. Höhenniveaus geregelt werden. Entsprechend des Sollfüllstands wird die Nachfülleinheit angesteuert. Der minimale Füllstand ist erreicht, wenn zwei Messmittel mit dem flüssigen Metall in Kontakt stehen und dadurch miteinander elektrisch kontaktiert sind. Der maximale Füllstand ist erreicht, wenn zumindest drei Messmittel mit dem flüssigen Metall in Kontakt stehen und dadurch miteinander elektrisch kontaktiert sind.
In vorteilhafter Weise weisen die Messmittel relativ zu einer Referenzhöhe im Reservoir unterschiedliche Abstände auf. Die Messmittel sind demnach unterschiedlich lang, bzw. ragen unterschiedlich weit in das Reservoir des Druckkopfes hinein. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise der Sollfüllstand des flüssigen Metalls im Reservoir des Druckkopfes mittelbar über die Messmittel einstellen. Das oberste Messmittel stellt dadurch mittelbar den maximalen Füllstand ein und das bei drei Messmitteln mittlere Messmittel stellt mittelbar den minimalen Füllstand ein. Das untere Messmittel muss sich unterhalb des minimalen Füllstands befinden und in Kontakt mit dem flüssigen Metall sein.
In einer Weiterbildung der Erfindung bilden zwei mit dem flüssigen Metall in Kontakt stehenden Messmittel mit einer Spannungsquelle einen geschlossen Stromkreis in dem ein Messgerät angeordnet ist. Diese Anordnung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Aufnahme eines Messwerts durch das Messgerät.
In einer Weiterbildung sind die Messmittel aus Metalldrähten gebildet, wobei diese in vorteilhafter Weise einen höheren Schmelzpunkt aufweisen als das im Reservoir befindliche flüssige Metall. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Messmittel aus Wolfram gebildet sind. Die Eigenschaften von Wolfram zeichnen sich durch einen hohe Schmelzpunkt von 3422°C und eine gute elektrische Leitfähigkeit aus.
In einer Weiterbildung ist das zumindest eine Messgerät ein Strommessgerät, insbesondere ein Amperemeter. Dadurch kann in vorteilhafter Weise ein Stromfluss bei kontaktierten Messmitteln festgestellt und entsprechend ausgewertet werden.
Weitere nicht dargestellte Ausführungsformen können mehr als drei Messmittel aufweisen. Dadurch kann die Regelung weiter verfeinert werden, wobei mehr Drähte erforderlich sind und die Vorrichtung zur Messung des Füllstands mehr Bauraum in Anspruch nimmt. Dies kann je nach Anwendungsfall vorteilhaft sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung des Füllstands eines flüssigen Metalls in einem Reservoir eines Druckkopfes für einen 3D-Drucker, wobei eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Messung des Füllstands vorgesehen ist, ermittelt in vorteilhafter Weise den Füllstand aus den Messergebnissen des zumindest einen Messgeräts.
In einem auf das erste Ausführungsbeispiel anwendbares Verfahren, wobei die Vorrichtung zwei Messmittel und ein Messgerät umfasst und der Sollfüllstand einem maximalen Füllstand entspricht, wenn das Messergebnis des Messgeräts einen Wert von I > 0A ausgibt, lässt sich in vorteilhafter Weise die Menge des flüssigen Metalls in dem Reservoir regeln.
Diese Ausführung verzichtet auf die Anzeige eines minimalen Füllstandes und gibt ausschließlich an, ob ein Sollfüllstand erreicht ist oder nicht. Durch diese Ausführung kann in vorteilhafter und einfacher Weise ein binäres Signal erzeugt werden wodurch eine Nachfülleinheit binär angesteuert werden kann und beispielsweise Material so lange nachfüllt, bis der gewünschte Sollfüllstand erreicht ist. Der Sollfüllstand ist erreicht wenn beide Messmittel mit dem flüssigen Metall in Kontakt stehen, bzw. in dem flüssigen Metall angeordnet sind und dadurch über das flüssige Metall kontaktiert sind, wodurch das Messgerät einen entsprechenden Messwert erhält.
In einem auf das zweite Ausführungsbeispiel anwendbares Verfahren, wobei die Vorrichtung zumindest drei Messmittel und ein erstes und zweites Messgerät umfasst und der Sollfüllstand einem Füllstand zwischen einem minimalen Füllstand und einem maximalen Füllstand entspricht, wobei der minimale Füllstand erreicht wird, wenn das Messergebnis des ersten Messgeräts einen Wert von I > 0A ausgibt und das Messergebnis des zweiten Messgeräts einen Wert von I = 0A ausgibt, lässt sich in vorteilhafter Weise die Menge des flüssigen Metalls in einem Reservoir regeln.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird der maximale Füllstand erreicht wird, wenn das Messergebnis des ersten Messgeräts einen Wert von I > 0A ausgibt und das Messergebnis des zweiten Messgeräts einen Wert von I > 0A ausgibt. Durch diese Anordnung der Messmittel kann in vorteilhafter Weise der Füllstand des flüssigen Metalls zwischen zwei Punkten, bzw. Höhenniveaus geregelt werden. Entsprechend des Sollfüllstands wird die Nachfülleinheit angesteuert. Der minimale Füllstand ist erreicht, wenn zwei Messmittel mit dem flüssigen Metall in Kontakt stehen und dadurch miteinander elektrisch kontaktiert sind. Der maximale Füllstand ist erreicht, wenn zumindest drei Messmittel mit dem flüssigen Metall in Kontakt stehen und dadurch miteinander elektrisch kontaktiert sind.
Da das Verfahren insbesondere auch an bereits existierenden Apparaturen ohne Änderung der Hardware umgesetzt werden kann, kann es insbesondere ganz oder teilweise in Software implementiert sein. Diese Software ist als eigenständiges Produkt, das beispielsweise einen existierenden Druckkopf oder 3D-Drucker um die Füllstandsmessung erweitert, vermarktbar und kann beispielsweise als vom Benutzer einspielbarer Download verkauft werden. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogrammprodukt mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, ein Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen und/oder dessen Ausführung zu steuern.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von den Figuren näher dargestellt.
Figurenliste
Es zeigen:

1 Ein Ausführungsbeispiel eines Druckkopfes mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des Füllstands,
2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels in einem ersten Zustand,
3 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels in einem zweiten Zustand,
4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels in einem ersten Zustand,
5 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels in einem zweiten Zustand und
6 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels in einem dritten Zustand.

Ausführungsbeispiel
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 36 zur Messung des Füllstands h eines flüssigen Metalls 8 in einem Reservoir 7, 27 eines Druckkopfes 1 für einen 3D-Drucker.
Der Druckkopf 1 umfasst ein Gehäuse 3, eine Vorrichtung 28 zur Zuführung eines Metalls 14 in fester Phase, einen Kolben 5, ein Reservoir 7, 27 mit einer Austrittsöffnung 10 und eine Aktorvorrichtung 12 zur Verschiebung des Kolbens. Das Reservoir 7, 27 weist einen Schmelzbereich 20 und einen Verdrängerraum 21 für eine flüssige Phase 8 des Metalls 14 auf, wobei der Schmelzbereich 20 an einer inerten Atmosphäre 22 angrenzt und mit dem Verdrängerraum 21 derart verbunden ist, dass durch die Verschiebung des Kolbens 5 die flüssige Phase 8 des Metalls 14 zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung 10 anregbar ist. Die flüssige Phase 8 des Metalls 14, bzw. das flüssige Metall 8 wird auch als Schmelze 8 bezeichnet und die inerte Atmosphäre 22 ist durch Einleitung eines Inertgases 22 in das Reservoir 7, 27 gebildet. Die Einleitung des Inertgases 22 findet bevorzugt über einen kalten Bereich des Druckkopfes 1 in das Reservoir 7, 27 statt.
Das Reservoir 7, 27 ist als Schmelztiegel 27 ausgebildet, wobei außerhalb des Schmelztiegels 27 ein Induktor 35 und innerhalb des Schmelztiegels die Vorrichtung 36 zur Messung des Füllstands h, bzw. die Messvorrichtung 36, angeordnet sind. Zwischen dem Schmelztiegel 27 und dem Induktor 35, bzw. der Induktor Spule 35 kann sich optional noch ein nicht dargestellter Isolator befinden.
Die Grenze des Inertgases 22 zum flüssigen Metall 8 entspricht dem Füllstand h des flüssigen Metalls 8 in dem Reservoir 7, 27. Der Füllstand h sollte während der Anwendung des Druckkopfes 1 ein je nach Anwendungsfall gewünschtes, bzw. gefordertes Niveau nicht unter- bzw. überschreiten, um einen stabilen Druckprozess zu gewährleisten. Zur Messung des Füllstands h ist in dem Schmelztiegel 27 die Messvorrichtung 36 angeordnet.
Ferner ist das Gehäuse 3 mehrteilig ausgebildet, wobei es zumindest einen Kühlflansch 25, eine Isolierplatte 26 und das Reservoir 7, 27 umfasst. Die Messvorrichtung 36 ist in diesem Ausführungsbeispiel an der Isolierplatte 26 angeordnet. Temperaturempfindliche Bauteile der Messvorrichtung können somit vorteilhaft abgeschirmt werden.
Der Kolben 5 ist mehrteilig ausgebildet, wobei er zumindest eine Kolbenstange 17 aus einem metallischen Werkstoff und einen Stempel 18 aus Keramik umfasst. Die Kolbenstange 17 ragt ausgehend von der Aktorvorrichtung 12 durch den Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 bis in das Reservoir 7, 27 hinein, wo sie in den Stempel 18 übergeht.
Der Kühlflansch 25 weist eine Ausnehmung 30 zur Aufnahme der Aktorvorrichtung 12, die als piezoelektrischer Aktor 12 ausgebildet ist, auf. Der piezoelektrische Aktor 12 ist während des Betriebs in der Ausnehmung 30 derart fixiert, dass er bei Anliegen einer Spannung einen Arbeitshub auf den Kolben 5, speziell auf die Kolbenstange 17 des Kolbens, ausübt. Die Kolbenstange 17 überträgt den Arbeitshub auf den Stempel 18, so dass dieser die flüssige Phase 8 des Metalls 14 zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung 10 anregt. Der Kolben 5 ist ohne Aktuierung des Aktors 12 durch eine Feder 13 in eine Ausgangsstellung rückstellbar, wobei die Feder 13 in der Ausnehmung 30 des Kühlflanschs 25 zwischen einem Absatz 24 und dem Aktor 12 angeordnet ist. Die Feder 13 ist als Tellerfeder ausgebildet.
Ferner weist der Kühlflansch 25 Kühlkanäle 31 zur Kühlung auf. Die Kühlkanäle 31 sind zwischen dem Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 angeordnet und werden mit einem Kühlmedium durchspült. Dies dient als Kühlung gegenüber der Erwärmung durch die Schmelze 8 und zum Kühlen des Aktors 12 im Betrieb. Der Kühlflansch 25 ist aus einem metallischen Werkstoff gebildet.
Die an dem Kühlflansch 25 auf Seiten der Kühlkanäle 31 anliegende Isolierplatte 26 ist aus einem wärmeisolierenden Material gebildet und derart ausgebildet, dass sie einen Wärmeübergang vom Reservoir 7, 27 zum Kühlflansch 25 vermindert.
Die Vorrichtung 28 zur Zuführung des Metalls 14, bzw. die Nachfülleinheit 28 mündet in das Reservoir 7, 27 und ist in dem Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 angeordnet. Die Nachfülleinheit 28 ragt durch den Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 hindurch und das Metall 14, bzw. das zu druckende Material 14 ist von außen durch die Vorrichtung 28 zuführbar. Bevorzugt können vordosierte Materialstücke, bzw. Pellets verwendet werden. Am Übergang der Isolierplatte 26 zum Reservoir 7, 27 befindet sich eine Öffnung 29 durch die das Material 14 in das Reservoir 7, 27 gelangt. Die Öffnung 29 ist durch eine Vorrichtung 32 verschließbar, so dass diese bevorzugt nur bei Zuführung des Materials 14 geöffnet ist, wodurch das Entweichen von Energie, bzw. Gas aus der inerten Atmosphäre 22 verringert wird.
Das Metall 14 gelangt in einer festen Phase 14 in den Schmelzbereich 20 des Schmelztiegels und wird durch den Induktor 35 erhitzt, bis es in eine flüssige Phase 8 übergeht. Der Füllstand h des flüssigen Metalls 8 wird durch die Messvorrichtung 36 ermittelt und entsprechend eines eingestellten, bzw. gewünschten Sollfüllstands h_Soll wird die Zufuhr des Metalls 14 geregelt.
Bei Erreichen einer gewünschten Prozesstemperatur der Schmelze 8, die durch einen nicht dargestellten Temperatursensor ermittelt wird, und des Sollfüllstands h_Soll kann der Druckkopf 1 den Betrieb aufnehmen. Die flüssige Phase 8, bzw. die Schmelze 8 gelangt durch Schweredruck der Schmelze 8 oder durch eine Kombination aus Schweredruck und Atmosphärendruck des Inertgases 22 am Stempel 18 vorbei in den Verdrängerraum 21. Der Stempel 18 des Kolbens 5 ist mit einer Druckseite 19 in der Schmelze 8, bzw. von Schmelze 8 umgeben und an der Verbindungsseite zur Kolbenstange 17 in der inerten Atmosphäre 22, bzw. von der inerten Atmosphäre 22 umgeben. Die Kolbenstange 17 kommt prozessbedingt nicht mit der Schmelze 8 in Berührung.
Die Keramik des Stempels 18 ist vorteilhafterweise sehr gut temperaturleitend, um die durch den Induktor 35 erzeugte Wärme gut in den Verdrängerraum 21 übertragen zu können.
Bei Aktuierung des piezoelektrischen Aktors 12 übt die Druckseite 19 des Stempels 18 einen Druck auf die Schmelze 8 im Verdrängerraum 21 in Richtung der Austrittsöffnung 10 aus und sorgt für einen Ausstoß eines Tropfens 15 durch die Austrittsöffnung 10 des Reservoirs 7, 27, bzw. des Verdrängerraums 21. Die Austrittsöffnung 10 ist für den Ausstoß von Tropfen 15 der flüssigen Phase 8 des Metalls 14 ausgebildet, wobei die Austrittsöffnung 10 die Form einer Düse 10 aufweist und fest mit dem Schmelztiegel 27 verbunden sein kann, oder wie in dem Ausführungsbeispiel gezeigt, einen wechselbaren Einsatz 11 aufweist, der den Einsatz von unterschiedlichen Düsengeometrien erlaubt.
2 und 3 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 36 zur Messung eines Füllstands h eines flüssigen Metalls 8 in einem Reservoir 27 eines Druckkopfes 1 für einen 3D-Drucker. Der Aufbau umfasst das Reservoir 27 in dem flüssiges Metall 8 vorgehalten wird und die Vorrichtung 36 zur Messung des Füllstands h. Die Vorrichtung 36 umfasst zwei Messmittel 41, 42, die als Metalldrähte, insbesondere aus Wolfram ausgebildet sind, ein Messgerät 51, welches als Strommessgerät, bzw. Amperemeter ausgebildet ist und eine Spannungsquelle 61.
Der Füllstand h des flüssigen Metalls 8 in dem Reservoir 27 ist über folgende Füllstandshöhen definierbar.
h_Ref bestimmt eine Referenzhöhe h_Ref im Reservoir 27, die in dieser Ausführung durch den Boden des Reservoirs 27 gebildet ist.
h₁ entspricht einem ersten Abstand h₁ des ersten Messmittels 41, bzw. dem des Reservoirs 27 zugewandtem Ende des ersten Messmittels 41 zur Referenzhöhe h_Ref.
h₂ entspricht einem zweiten Abstand h₂ des zweiten Messmittels 42, bzw. dem des Reservoirs 27 zugewandtem Ende des zweiten Messmittels 42 zur Referenzhöhe h_Ref.
h_max entspricht dem maximalen Füllstand h_max, bzw. in diesem Ausführungsbeispiel dem Sollfüllstand h_Soll, wobei dieser durch den zweiten Abstand h₂ gebildet ist.
2 stellt einen ersten Zustand des ersten Ausführungsbeispiels dar, in dem sich der aktuelle Füllstand h des flüssigen Metalls 8 zwischen dem ersten 41 und zweiten 42 Messmittel, bzw. dem ersten h₁ und dem zweiten h₂ Abstand befindet. Das erste Messmittel 41 steht in Kontakt mit dem flüssigen Metall 8. Das zweite Messmittel 42 hat keinen Kontakt zum flüssigen Metall 8. Somit besteht keine elektrische Verbindung zwischen den beiden Messmitteln 41, 42.
An der Spannungsquelle 61 liegt ein Potential an und das Messgerät 51 misst keinen Strom I = 0.
3 stellt einen zweiten Zustand des ersten Ausführungsbeispiels dar, in dem sich der aktuelle Füllstand h des flüssigen Metalls 8 auf dem Niveau des zweiten Messmittels 42, bzw. dem zweiten Abstand h₂ befindet. Dies entspricht dem Sollfüllstand h_Soll des flüssigen Metalls 8. Das erste Messmittel 41 steht in Kontakt mit dem flüssigen Metall 8. Das zweite Messmittel 42 steht in Kontakt mit dem flüssigen Metall 8. Somit besteht eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Messmitteln 41, 42.
An der Spannungsquelle 61 liegt ein Potential an und das Messgerät 51 misst einen Strom I > 0A.
Das Verfahren zur Messung des Füllstands h des flüssigen Metalls 8 in dem Reservoir 27 des Druckkopfes 1 für einen 3D-Drucker mit der Vorrichtung 36 zur Messung des Füllstands h ermittelt den Füllstand h aus den Messergebnissen des Messgeräts 51.
Dieses erste Ausführungsbeispiel sorgt in einfacher Weise für ein Auffüllen des Reservoirs 27 mit flüssigem Metall 8, da aufgrund eines binären Signals so viel Metall nachgefüllt wird, bis der Sollfüllstand h_Soll erreicht wird, bzw. wenn das Messergebnis des Messgeräts (51) einen Wert von I > 0A ausgibt wird das Nachfüllen gestoppt. Bei einem Messergebnis von I = 0A wird Metall nachgefüllt.
4 bis 5 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 36 zur Messung des Füllstands h des flüssigen Metalls 8 in dem Reservoir 27 eines Druckkopfes 1 für einen 3D-Drucker. Der Aufbau umfasst ebenfalls das Reservoir 27 in dem flüssiges Metall 8 vorgehalten wird und die Vorrichtung 36 zur Messung des Füllstands h. Die Vorrichtung 36 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel drei Messmittel 41, 42, 43, die als Metalldrähte, insbesondere aus Wolfram ausgebildet sind, zwei Messgeräte 51, 52, welche als Strommessgerät, bzw. Amperemeter ausgebildet sind und zwei Spannungsquellen 61, 62.
Das erste 41 und das zweite 42 Messmittel bilden zusammen mit dem ersten Messgerät 51 und der ersten Spannungsquelle 61 einen ersten geschlossenen Stromkreis wenn sich beide Messmittel 41, 42 in Kontakt mit dem flüssigen Metall 8 befinden. Das flüssige Metall 8 sorgt für einen elektrischen Kontakt der beiden Messmittel 41, 42.
Das zweite 42 und das dritte 43 Messmittel bilden zusammen mit dem zweiten Messgerät 52 und der zweiten Spannungsquelle 62 einen zweiten geschlossenen Stromkreis wenn sich beide Messmittel 42, 43 in Kontakt mit dem flüssigen Metall 8 befinden. Das flüssige Metall 8 sorgt für einen elektrischen Kontakt der beiden Messmittel 42, 43.
Der Füllstand h des flüssigen Metalls 8 in dem Reservoir 27 ist über folgende Füllstandshöhen definierbar.
h_Ref bestimmt eine Referenzhöhe h_Ref im Reservoir 27, die in dieser Ausführung durch den Boden des Reservoirs 27 gebildet ist.
h₁ entspricht einem ersten Abstand h₁ des ersten Messmittels 41, bzw. dem des Reservoirs 27 zugewandtem Ende des ersten Messmittels 41 zur Referenzhöhe h_Ref.
h₂ entspricht einem zweiten Abstand h₂ des zweiten Messmittels 42, bzw. dem des Reservoirs 27 zugewandtem Ende des zweiten Messmittels 42 zur Referenzhöhe h_Ref.
h₃ entspricht einem dritten Abstand h₃ des dritten Messmittels 43, bzw. dem des Reservoirs 27 zugewandtem Ende des dritten Messmittels 43 zur Referenzhöhe h_Ref.
h_min entspricht dem minimalen Füllstand h_min, wobei dieser durch den zweiten Abstand h₂ gebildet ist.
h_max entspricht dem maximalen Füllstand h_max, wobei dieser durch den dritten Abstand h₃ gebildet ist.
h_Soll entspricht dem Sollfüllstand h_Soll, wobei dieser sich zwischen dem Niveau des zweiten Abstands h₂ und des dritten Abstands h₃ befindet.
4 stellt einen ersten Zustand des zweiten Ausführungsbeispiels dar, in dem sich der aktuelle Füllstand h des flüssigen Metalls 8 unter dem ersten Messmittel 41, bzw. dem ersten Abstand h₁ befindet. Keines der Messmittel 41, 42, 43 steht in Kontakt mit dem flüssigen Metall 8. Somit ist weder der erste noch der zweite Stromkreis geschlossen.
An beiden Spannungsquellen 61, 62 liegt jeweils ein Potential an und die Messgeräte 51, 52 messen jeweils keinen Strom I = 0.
5 stellt einen zweiten Zustand des ersten Ausführungsbeispiels dar, in dem sich der aktuelle Füllstand h des flüssigen Metalls 8 auf dem Niveau des zweiten Messmittels 42, bzw. dem zweiten Abstand h₂ befindet. Dies entspricht dem minimalen Füllstand h_min des flüssigen Metalls 8. Das erste Messmittel 41 steht in Kontakt mit dem flüssigen Metall 8. Das zweite Messmittel 42 steht in Kontakt mit dem flüssigen Metall 8. Das dritte Messmittel 43 steht nicht in Kontakt mit dem flüssigen Metall 8. Somit besteht eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten 41 und dem zweiten 42 Messmittel und der erste Stromkreis ist geschlossen.
An der ersten Spannungsquelle 61 liegt ein Potential an und das erste Messgerät 51 misst einen Strom I > 0A. An der zweiten Spannungsquelle 62 liegt ein Potential an und das zweite Messgerät 52 misst keinen Strom I = 0A.
6 stellt einen dritten Zustand des ersten Ausführungsbeispiels dar, in dem sich der aktuelle Füllstand h des flüssigen Metalls 8 auf dem Niveau des dritten Messmittels 43, bzw. dem zweiten Abstand h₃ befindet. Dies entspricht dem maximalen Füllstand h_max des flüssigen Metalls 8. Alle Messmittel 41, 42, 43 stehen in Kontakt mit dem flüssigen Metall 8. Somit besteht eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten 41 und dem zweiten 42 Messmittel, wodurch der erste Stromkreis ist geschlossen ist und es besteht eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten 42 und dem dritten 43 Messmittel, wodurch der zweite Stromkreis geschlossen ist.
An der ersten Spannungsquelle 61 liegt ein Potential an und das erste Messgerät 51 misst einen Strom I > 0A. An der zweiten Spannungsquelle 62 liegt ein Potential an und das zweite Messgerät 52 misst einen Strom I > 0A.
Das Verfahren zur Messung des Füllstands h des flüssigen Metalls 8 in dem Reservoir 27 des Druckkopfes 1 für einen 3D-Drucker mit der Vorrichtung 36 zur Messung des Füllstands h ermittelt den Füllstand h aus den Messergebnissen der Messgeräte 51, 52.
Dieses zweite Ausführungsbeispiel sorgt für ein Auffüllen des Reservoirs 27 mit flüssigem Metall 8, wobei je nach Zustand so viel Metall nachgefüllt wird, bis der Sollfüllstand h_Soll erreicht wird. Dabei kann durch die zwei Stromkreise, bzw. die drei Messmittel 41, 42, 43 je nach Anforderung ein Füllstand h zwischen dem minimalen h_min und dem maximalen h_max Füllstand eingestellt werden.
Auf dieser Grundlage ist eine Zweipunktregelung zwischen dem minimalen h_min und dem maximalen h_max Füllstand möglich.

Claims

Vorrichtung (36) zur Messung des Füllstands (h) eines flüssigen Metalls (8) in einem Reservoir (27) eines Druckkopfes (1) für einen 3D-Drucker umfassend zumindest zwei Messmittel (41, 42, 43) und zumindest ein Messgerät (51, 52), dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines Sollfüllstands (h_Soll) zumindest zwei Messmittel (41, 42, 43) in dem flüssigen Metall (8) angeordnet sind und/oder mit dem flüssigen Metall (8) in Kontakt sind.
Vorrichtung (36) zur Messung des Füllstands (h) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (36) zwei Messmittel (41, 42) und ein Messgerät (51) umfasst und der Sollfüllstand (h_Soll) einem maximalen Füllstand (hmax) entspricht.
Vorrichtung (36) zur Messung des Füllstands (h) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (36) zumindest drei Messmittel (41, 42, 43) und zwei Messgeräte (51, 52) umfasst und der Sollfüllstand (h_Soll) einem Füllstand zwischen einem minimalen Füllstand (h_min) und einem maximalen Füllstand (h_max) entspricht.
Vorrichtung (36) zur Messung des Füllstands (h) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (41, 42, 43) relativ zu einer Referenzhöhe (h_Ref) im Reservoir (27) unterschiedliche Abstände (h₁, h₂, h₃) aufweisen.
Vorrichtung (36) zur Messung des Füllstands (h) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei mit dem flüssigen Metall in Kontakt stehenden Messmittel (41, 42, 43) einen geschlossen Stromkreis bilden in dem ein Messgerät (51, 52) angeordnet ist.
Vorrichtung (36) zur Messung des Füllstands (h) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (41, 42, 43) aus Metalldrähten gebildet sind.
Vorrichtung (36) zur Messung des Füllstands (h) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (41, 42, 43) aus Wolfram gebildet sind.
Vorrichtung (36) zur Messung des Füllstands (h) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Messgerät (51, 52) ein Strommessgerät, insbesondere ein Amperemeter ist.
Verfahren zur Messung des Füllstands (h) eines flüssigen Metalls (8) in einem Reservoir (27) eines Druckkopfes (1) für einen 3D-Drucker, wobei eine Vorrichtung (36) zur Messung des Füllstands (h) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand (h) aus den Messergebnissen des zumindest einen Messgeräts (51, 52) ermittelt wird.
Verfahren zur Messung des Füllstands (h) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (36) zwei Messmittel (41, 42) und ein Messgerät (51) umfasst und der Sollfüllstand (h_Soll) einem maximalen Füllstand (hmax) entspricht, wenn das Messergebnis des Messgeräts (51) einen Wert von I > 0A ausgibt.
Verfahren zur Messung des Füllstands (h) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (36) zumindest drei Messmittel (41, 42, 43) und ein erstes (51) und zweites (52) Messgerät umfasst und der Sollfüllstand (h_Soll) einem Füllstand zwischen einem minimalen Füllstand (h_min) und einem maximalen Füllstand (hmax) entspricht, wobei der minimale Füllstand (h_min) erreicht wird, wenn das Messergebnis des ersten Messgeräts (51) einen Wert von I > 0A ausgibt und das Messergebnis des zweiten Messgeräts (52) einen Wert von I = 0A ausgibt.
Verfahren zur Messung des Füllstands (h) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Füllstand (h_max) erreicht wird, wenn das Messergebnis des ersten Messgeräts (51) einen Wert von I > 0A ausgibt und das Messergebnis des zweiten Messgeräts (52) einen Wert von I > 0A ausgibt.
Computerprogrammprodukt, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12 auszuführen und/oder dessen Ausführung zu steuern.