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Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker und ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines Druckkopfes eines 3D-Druckers.
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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.
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Die zum Zeitpunkt dieser Anmeldung noch nicht veröffentlichte Schrift
DE102016224047 zeigt einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, insbesondere Metalldrucker, umfassend ein Gehäuse, eine Vorrichtung zur Zuführung eines Metalls, einen Kolben, ein Reservoir mit einer Austrittsöffnung und eine Aktorvorrichtung zur Verschiebung des Kolbens.
Sie zeichnet sich dadurch aus, dass das Reservoir einen Schmelzbereich und einen Verdrängerraum für eine flüssige Phase des Metalls aufweist, wobei der Schmelzbereich an einer inerten Atmosphäre angrenzt und mit dem Verdrängerraum derart verbunden ist, dass durch die Verschiebung des Kolbens die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregbar ist.
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Aus dem Stand der Technik sind Kolbenformen mit flachen Oberflächen bekannt. Diese haben den Nachteil, dass sich unter, bzw. in der Mitte der Oberfläche sogenannte „Totwasserzonen“ ausbilden können. In diesen Zonen bewegt sich die Schmelze nicht mehr relativ zum Kolben. Für den Fall, dass sich in der Schmelze Gas-, bzw. Lufteinschlüssen bilden, können diese nicht von der Oberfläche des Stempels abwandern und bilden nicht gewünschte Kompressionszonen.
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Da metallische Schmelzen eine sehr hohe Oberflächenspannung besitzen, reicht oftmals der sehr große Dichteunterschied zwischen Luft und Schmelze nicht aus, um Gas-, bzw. Lufteinschlüsse nach oben steigen zu lassen.
Ferner verbleiben bei der Inbetriebnahme eines Druckkopfes Gaseinschlüsse auf der Oberfläche, bzw. der Unterseite des Stempels und es sind aufwändige Arbeitsschritte notwendig, um die Gaseinschlüsse zu verringert, bzw. zu entfernen.
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Befinden sich im Betrieb des 3D-Druckers Gaseinschlüsse im Verdrängerraum, wirken diese als kompressibles Medium und dämpfen den Druckstoß des Stempels, so dass der Druckprozess unpräzise werden oder sogar zum Erliegen kommen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckkopf für einen 3D-Drucker und ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines Druckkopfes für einen 3D-Drucker bereitzustellen, die den Einfluss von Gaseinschlüssen im Verdrängerraum vermindern und einen stabilen Druckprozess ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Druckkopf für einen 3D-Drucker mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren zur Inbetriebnahme eines Druckkopfes gemäß Anspruch 5 erfüllt.
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Der erfindungsgemäße Druckkopf für einen 3D-Drucker, insbesondere Metalldrucker, umfasst ein Gehäuse, eine Vorrichtung zur Zuführung eines Metalls, ein Reservoir für eine flüssige Phase des Metalls, eine Düsenvorrichtung mit einer Führungshülse und einer Düsenplatte und einen Kolben mit einer Kolbenstange und einem Stempel, wobei der Stempel, die Führungshülse und die Düsenplatte einen Verdrängerraum ausbilden und der Stempel und die Führungshülse zumindest einen Bereich zur Durchführung der flüssigen Phase zwischen dem Reservoir und dem Verdrängerraum ausbilden, wobei der Druckkopf eine Vorrichtung zur lokalen Abkühlung der Düsenplatte aufweist. Das lokale Abkühlen der Düsenplatte durch eine Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass die flüssige Phase des Metalls, bzw. die Schmelze aushärtet und die Düsenplatte dadurch verschließt. Dadurch wird vermieden, dass bei bestimmten Betriebszuständen Gas, bzw. Luft in den Verdrängerraum eindringen kann. Durch die Verhinderung eines Nachströmens von Gas, bzw. Luft durch die Düsenplatte, kann während einer Aufwärtsbewegung des Kolbens, die Düsenplatte verschlossen werden. Da die Düsenplatte relativ zum Reservoir deutlich mehr exponiert ist und eine große, relative Konvektions- und Abstrahlungsfläche aufweist, wird die Erstarrung der flüssigen Phase des Metalls, bzw. der Schmelze in der Regel von der Düsenplatte ausgehen.
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Der Bereich zur Durchführung der flüssigen Phase des Metalls zwischen dem Reservoir und dem Verdrängerraum sorgt ferner in vorteilhafter Weise nicht nur für den Austausch der flüssigen Phase sondern auch für den Transport, bzw. die Ableitung von Gaseinschlüssen vom Verdrängerraum in das Reservoir. Der Anteil der Gaseinschlüsse im Verdrängerraum bestimmt maßgeblich die Qualität der Funktion des gesamten Druckkopfes und die Reproduzierbarkeit der Druckergebnisse.
Der Bereich weist einen Spalt zur Ableitung von Gaseinschlüssen aus dem Verdrängerraum in das Reservoir auf. Durch den Spalt wird in vorteilhafter Weise die Ableitung der Gaseinschlüsse an einer Oberfläche des Stempels entlang in das Reservoir vereinfacht. Insbesondere bei einer Inbetriebnahme des Druckkopfes, wenn der Stempel in die Schmelze abgesenkt wird, teilt die Oberfläche einer Druckseite des Stempels die Schmelze von der Mitte des Stempels aus und die Schmelze schiebt sich an der Oberfläche des Stempels entlang, so dass in vorteilhafter Weise Gaseinschlüsse aus dem Verdrängerraum durch den Spalt in Richtung Reservoir verdrängt werden.
Der Druckkopf unterstützt ferner einen gleichmäßigen Druckaufbau im Verdrängerraum, wodurch verbesserte Aktuierungsstöße, bzw. ein verbesserter Ausstoß der flüssigen Phase des Metalls ermöglicht wird. Die Reproduzierbarkeit der Druckergebnisse wird somit deutlich verbessert.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung zur lokalen Abkühlung der Düsenplatte als eine Düse zur Ausbringung von einem Kühlmedium, insbesondere flüssigem Stickstoff, ausgebildet.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Düse mit ihrer Düsenöffnung auf eine Austrittsöffnung der Düsenplatte ausgerichtet.
Zur Verhinderung eines Nachströmens von Luft durch die Austrittsöffnung der Düsenplatte ist es vorteilhaft, wenn vor und/oder während der Aufwärtsbewegung des Kolbens, die Austrittsöffnung durch ein kontrolliertes Einfrieren geschlossen wird. Hierzu ist es vorteilhaft, die Vorrichtung zur lokalen Abkühlung der Düsenplatte als Düse auszulegen, durch die ein Kühlmedium durch ihre Düsenöffnung auf die Austrittsöffnung der Düsenplatte gesprüht wird. Das kontrollierte Leiten von flüssigem Stickstoff auf die Düsenplatte ermöglicht es in vorteilhafter Weise, dass die Schmelze an, bzw. in der Austrittsöffnung punktuell eingefroren wird.
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In einer Weiterbildung weist die Düsenplatte an ihrer zum Verdrängerraum ausgebildeten Oberfläche eine Ausnehmung auf, die entsprechend einer Oberfläche des Stempels ausgebildet ist. Die Ausnehmung in der Düsenplatte weist somit eine Negativform der Druckfläche des Stempels auf so dass der Stempel mit seiner Oberfläche an der Oberfläche der Düsenplatte anliegen kann. Durch diese Ausbildung der Düsenplatte in Kombination mit dem Stempel bietet der Druckkopf in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, Gaseinschlüsse vollständig aus dem Verdrängerraum zu entfernen, indem der Stempel bis zum Anschlag zur Düsenplatte bewegt wird. In diesem Fall sind die Oberflächenkonturen des Stempels und der Düsenplatte aufeinander angepasst.
Anschließend wird der Stempel, nachdem er zur Düsenplatte bewegt wurde, wieder in eine Arbeitsposition innerhalb der Führungshülse zurückgezogen. Zur Verhinderung eines Nachströmens von Luft durch eine Austrittsöffnung der Düsenplatte, wird vor und/oder während der Aufwärtsbewegung des Kolbens, die Austrittsöffnung durch ein kontrolliertes Einfrieren geschlossen. Hierzu wird über die externe Düse kontrolliert Stickstoff auf die Düsenplatte geleitet und dadurch die Schmelze punktuell eingefroren.
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Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Inbetriebnahme des Druckkopfes, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- - Erzeugung der flüssigen Phase des Metalls durch einen Induktor,
- - Einbringen des Stempels in den Verdrängerraum bis die Oberfläche des Stempels an der Oberfläche der Düsenplatte anliegt,
- - Abkühlung der Düsenplatte, bis die in der Austrittsöffnung der Düsenplatte befindliche flüssige Phase des Metalls erstarrt, und
- - Befüllung des Verdrängerraums mit flüssiger Phase des Metalls durch Zurückziehen des Stempels in eine Arbeitsposition innerhalb der Führungshülse, wobei die flüssige Phase des Metalls aus dem Reservoir durch den Bereich in den Verdrängerraum fließt.
Das Verfahren bietet in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, Gaseinschlüsse vollständig aus dem Verdrängerraum zu entfernen, indem in einem ersten Schritt die flüssige Phase des Metalls erzeugt wird und in einem zweiten Schritt der Stempel bis zum Anschlag zur Düsenplatte bewegt wird. Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass die Oberflächenkonturen des Stempels und der Düsenplatte aufeinander angepasst sind.
Zur Verhinderung eines Nachströmens von Luft durch die Austrittsöffnung der Düsenplatte, wird in einem dritten Schritt vor und, falls erforderlich, während der Aufwärtsbewegung des Kolbens, die Düsenplatte abgekühlt bis die in der Austrittsöffnung der Düsenplatte befindliche flüssige Phase des Metalls erstarrt ist. Die Befüllung des Verdrängerraums mit flüssiger Phase des Metalls findet in einem vierten Schritt durch Zurückziehen des Stempels in eine Arbeitsposition innerhalb der Führungshülse statt, wobei die flüssige Phase des Metalls in vorteilhafter Weise aus dem Reservoir durch den Bereich in den Verdrängerraum fließt und diesen füllt.
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In einer ersten Ausführung des Verfahrens wird die Abkühlung der Düsenplatte durch eine Reduzierung der Induktorleistung erreicht.
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In einer bevorzugten zweiten Ausführung des Verfahrens wird die Abkühlung der Düsenplatte durch eine lokale Abkühlung der Austrittsöffnung erreicht. Dabei ist es besonders vorteilhaft die Austrittsöffnung durch die Düse mit dem Kühlmedium, insbesondere flüssigem Stickstoff, abzukühlen.
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Der negative Effekt durch Gaseinschlüsse im Verdrängerraum, bezüglich der Tropfenbildung beim 3D-Druck, wird durch die oben genannten Merkmale der Erfindung verringert, bzw. verhindert. Durch das Ableiten der Gaseinschlüsse wird für eine ausreichende Entlüftung des Verdrängerraums gesorgt. Zum einen bei der Inbetriebnahme und zum anderen bei Gaseinschlüssen, die während des Betriebes des Druckkopfes, durch eine beispielsweise nicht optimale Aktuierung des Kolbens, auftreten, wenn Luft über die Düsenplatte beim Rückhub angesaugt wird. Die Folge von teilweisem oder vollständigem Aussetzen der Tropfenbildung zum Erzeugen eines Gegenstandes durch 3D-Druck wird verhindert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.
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Es zeigen:
- 1 Eine Schnittzeichnung eines erfindungsgemäßen Druckkopfes in einer Ausführungsform,
- 2 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Druckkopfes mit einer Führungshülse in einer weiteren Ausführungsform,
- 3 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Druckkopfes mit einer Führungshülse in einer weiteren Ausführungsform und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckkopfes 1 für einen 3D-Drucker.
Der Druckkopf 1 umfasst ein Gehäuse 3, eine Vorrichtung 28 zur Zuführung eines Metalls 14 in fester Phase, ein Reservoir 7, 27, eine Düsenvorrichtung 2 mit einer Austrittsöffnung 10 und einen Kolben 5. Ferner umfasst der Druckkopf eine Aktorvorrichtung 12 zur Verschiebung des Kolbens 5. 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 ein Sensor 36, insbesondere ein Temperatursensor angeordnet sind. Zwischen dem Schmelztiegel 27 und dem Induktor 35, bzw. der Induktor Spule 35 kann sich optional noch ein nicht dargestellter Isolator befinden.
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Die Grenze des Inertgases 22 zum flüssigen Metall 8 entspricht dem Füllstand des flüssigen Metalls 8 in dem Reservoir 7, 27.
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Ferner ist das Gehäuse 3 mehrteilig ausgebildet, wobei es zumindest einen Kühlflansch 25, eine Isolierplatte 26 und das Reservoir 7, 27 umfasst. 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.
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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 5, 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.
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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.
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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. Bei Erreichen einer gewünschten Prozesstemperatur der Schmelze 8, die durch den Temperatursensor 36 ermittelt wird, und des kann der Druckkopf 1 den Betrieb aufnehmen. 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.
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Bei Aktuierung des piezoelektrischen Aktors 12 übt die in dieser Ausführung spitze, bzw. konische Druckseite 19, bzw. Oberfläche 39 des Stempels 18 einen Druck, bzw. Hub auf die Schmelze 8 im Verdrängerraum 21 in Richtung der Austrittsöffnung 10 aus und sorgt für einen Ausstoß eines Tropfens 15 durch die Düsenvorrichtung 2, bzw. der Austrittsöffnung 10 der Düsenvorrichtung 2. Die Düsenvorrichtung 2, insbesondere die Düsenplatte 9 ist austauschbar, wodurch der Einsatz von unterschiedlichen Düsengeometrien möglich ist. Dargestellt ist eine Düsenplatte 9 mit einer flachen Oberseite 49 in die eine Ausnehmung für die Austrittsöffnung 10 angeordnet ist. Die zum Verdrängerraum 21 ausgebildete Oberfläche 49 ist entsprechend der Oberfläche 39 des Stempels 18 ausgebildet.
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Ferner weist der Druckkopf 1 eine Vorrichtung 60 zur lokalen Abkühlung der Düsenplatte 9 auf, wobei die Vorrichtung 60 zur lokalen Abkühlung der Düsenplatte 9 als eine Düse 60 zur Ausbringung von einem Kühlmedium 61, insbesondere flüssigem Stickstoff, ausgebildet ist. Die Düse 60 ist mit ihrer Düsenöffnung 62 auf die Austrittsöffnung 10 der Düsenplatte 9 ausgerichtet.
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2 zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Kolbens 17 mit der Führungshülse 11 in einer weiteren Ausführungsform, wobei die Druckseite 19 des Stempels 18 eine konvexe Oberfläche 39, im speziellen eine kegelförmige Oberfläche 39 aufweist. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Oberfläche 39 des Stempels auch kugelförmig ausgebildet sein. Ferner bilden der Stempel 18 und die Führungshülse 11 zumindest einen Bereich 40 zur Durchführung der flüssigen Phase 8 zwischen dem Reservoir 27 und dem Verdrängerraum 21 aus.
Der Bereich 40 ist derart ausgebildet, dass innerhalb des Verdrängerraums 21 in der flüssigen Phase 8 auftretende Gaseinschlüsse während eines Kolbenhubes in Richtung der Düsenplatte 9 an der Druckseite 19 des Stempels 18 vorbei durch den Bereich 40 in das Reservoir 7, 27 verdrängbar sind. Der Bereich 40 weist einen Spalt 46 zur Ableitung von Gaseinschlüssen aus dem Verdrängerraum 21 in das Reservoir 7, 27 auf und ist in einer ersten an der Druckseite 19 des Stempels 18 angeordneten Ebene 41 als Ringspalt und in einer zweiten Ebene 42 als zumindest eine axiale Ausnehmung ausgebildet.
In einer einfachen, nicht dargestellten Ausführung, kann der Spalt 46 ausschließlich als Ringspalt ausgebildet sein.
Es ist von Vorteil, wenn die zweite Ebene nicht dargestellte Teilbereiche aufweist, durch die der Stempel 18 konzentrisch in der kreisförmigen Führungshülse 11 geführt ist.
Dargestellt ist eine Düsenplatte 9 mit einer flachen Oberseite 49 in die eine Ausnehmung für die Austrittsöffnung 10 angeordnet ist. In einer für dieses Ausführungsbeispiel nicht dargestellten Weiterbildung kann die Düsenplatte 9 an seiner zum Verdrängerraum 21 ausgebildeten Oberfläche 49 eine Ausnehmung aufweisen, die entsprechend der kegelförmigen Oberfläche 39 des Stempels 18 ausgebildet ist. Ferner ist die Düse 60 gezeigt, die mit ihrer Düsenöffnung 62 auf die Austrittsöffnung 10 der Düsenplatte 9 gerichtet ist.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Druckkopfes 1, wobei der Stempel 18 des Kolbens 5 eine Druckseite 19 mit einer konvexen, insbesondere kegelförmigen Oberfläche 39 aufweist. Ferner bilden der Stempel 18 und die Führungshülse 11 den Bereich 40 zur Durchführung der flüssigen Phase 8 zwischen dem Reservoir 27 und dem Verdrängerraum 21 aus, wobei der Spalt 46 in der ersten an der Druckseite 19 des Stempels 18 angeordneten Ebene 41 als Ringspalt und in der zweiten Ebene 42 als zumindest eine axiale Ausnehmung ausgebildet ist.
Die Düsenplatte 9 weist an ihrer zum Verdrängerraum 21 ausgebildeten Oberfläche 49 eine Ausnehmung auf, die entsprechend der Oberfläche 39 des Stempels 18 ausgebildet ist. Die Ausnehmung in der Düsenplatte 9 weist somit eine Negativform der Druckfläche 19 des Stempels 18 auf so dass der Stempel 18 mit seiner Oberfläche 39 an der Oberfläche 49 der Düsenplatte 9 anliegen, bzw. komplett eintauchen kann.
Die Form der Oberfläche 39 des Stempels 18 hat das Ziel, dass durch eine stromlinienförmige Kontur, bzw. Oberfläche 39 des Stempels 18 beim Eintauchen oder auch bei der hochfrequenten Aktuierung, die Schmelze 8 direkt an der Oberfläche 39 entlang streichen kann, so dass möglichst eine laminare Strömung der Schmelze 8 erreicht wird. Auftretende Gaseinschlüsse gleiten zumindest im Betrieb an der Oberfläche 39 des Stempels 18 ab und gelangen durch den Spalt 46 in dem Bereich 40 zwischen dem Stempel 18 und der Führungshülse 11 in das Reservoir 27.
Falls ungewünschte Gaseinschlüsse in der Schmelze 8 des Verdrängerraums 21 vorhanden sind, kann beispielsweise der gesamte Stempel 18 aus der Schmelze 8 ausgefahren werden und anschließend langsam wieder abgesenkt werden, um durch das Eindringen des Stempels 18 in die Schmelze 8 vorhandene Gaseinschlüsse an der Oberfläche 39 des Stempels 18 abgleiten zu lassen.
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Die hier dargestellte Ausführungsform ermöglicht, zusätzlich zur optimierten Stempelgeometrie, durch die eine verbesserte Entgasung des Verdrängerraums 11 möglich ist, ein Entgasen, bzw. Entlüften vor dem Betrieb, bzw. während der Inbetriebnahme des Druckkopfes 1.
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Zur Entfernung der Gaseinschlüsse aus der Schmelze 8 des Verdrängerraums 21 ist der Stempel 18 komplett, möglichst bis zum Anliegen, in die Ausnehmung der Düsenplatte 9 zu bewegen. Dabei wird erreicht, dass keine Gaseinschlüsse mehr zwischen der Oberfläche 39 des Stempels 18 und der Oberfläche 49 der Düsenplatte 9 vorhanden sind. Beim Zurückziehen des Stempels 18 in eine Arbeitsposition innerhalb der Führungshülse 11 findet eine Befüllung des Verdrängerraums 21 mit flüssiger Phase 8 des Metalls aus dem Reservoir 27 durch den Bereich 40 statt.
Zur Verhinderung eines Nachströmen von Gas durch die Austrittsöffnung 10 der Düsenplatte 9 in den Verdrängerraum 21, kann die Austrittsöffnung 10 verschlossen werden. Das Verschließen der Austrittsöffnung 10 findet durch ein kontrolliertes Abkühlen des Bereichs um die Austrittsöffnung 10 statt, wodurch die in der Austrittsöffnung 10 der Düsenplatte 9 befindliche flüssige Phase 8 des Metalls erstarrt wird.
Die Düsenplatte 9, bzw. die Austrittsöffnung 10 wird durch die Vorrichtung zur lokalen Abkühlung 60, bzw. der Düse 60 punktuell durch Aufbringen von flüssigem Stickstoff 61 eingefroren. Nach der Befüllung des Verdrängerraums 21 mit Schmelze 8, verflüssigt sich die eingefrorene Schmelze 8 innerhalb der Austrittsöffnung 10, so dass der Druckkopf wieder betriebsbereit ist.
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4 stellt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Druckkopfes 1 dar.
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Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
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In einem ersten Verfahrensschritt 110 wird die flüssigen Phase 8 des Metalls 14 durch den Induktor 35 erzeugt. Vorher wird das Metall 14, wie bereits in der Beschreibung zu 1 beschrieben, in Festform in das Reservoir 27, bzw. in den Schmelztiegel eingebracht. Der nächste Verfahrensschritt erfolgt bevorzugt, nachdem das Metall 14 vollständig in die flüssige Phase 8 übergegangen ist und seine Arbeitstemperatur erreicht hat.
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In einem zweiten Verfahrensschritt 120 wird der Stempel 18 in den Verdrängerraum 21 eingebracht, bis die Oberfläche 39 des Stempels 18 an der Oberfläche 49 der Düsenplatte 9 anliegt. Dadurch wird die flüssige Phase 8 möglichst vollständig aus dem Verdrängerraum 21 gedrückt, so dass sich auch keine Gaseinschlüsse mehr in dem Verdrängerraum 21 befinden.
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Anschließend wird in einem dritten Verfahrensschritt 130 die in der Austrittsöffnung 10 der Düsenplatte 9 befindliche flüssige Phase 8 des Metalls erstarrt, indem die Düsenplatte 9 abgekühlt wird. Die Abkühlung der Düsenplatte 9 wird durch eine lokale Abkühlung der Austrittsöffnung 10 erreicht, wobei die Austrittsöffnung 10 durch die Düse 60 mit dem Kühlmedium 61, insbesondere flüssigem Stickstoff, abgekühlt wird.
Alternativ kann die Abkühlung der Düsenplatte 9 auch durch eine Reduzierung der Induktorleistung erreicht werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass sich die Inbetriebnahme des Druckkopfes 1 verzögert.
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In einem vierten Verfahrensschritt 140 findet eine Befüllung des Verdrängerraums 21 mit flüssiger Phase 8 des Metalls durch Zurückziehen des Stempels 18 in eine Arbeitsposition innerhalb der Führungshülse 11 statt, wobei die flüssige Phase 8 des Metalls aus dem Reservoir 27 durch den Bereich 40 in den Verdrängerraum 21 fließt. Nach Erreichen der Arbeitsposition des Stempels 18 ist der Verdrängerraum 21 mit der flüssigen Phase 8 des Metalls gefüllt, wobei Gaseinschlüsse durch dieses Verfahren vermindert, bzw. vermieden werden. Die Abkühlung der Düsenplatte 9 durch die Düse 60 kann während der Befüllung des Verdrängerraums 21 aktiv gehalten werden, so dass gewährleistet ist, dass sich die erstarrte Schmelze 8 in der Austrittsöffnung 10 der Düsenplatte 9 nicht durch die aus dem Reservoir 27 eindringende Schmelze 8 verflüssigt und durch den Rückhub des Stempels 18 in den Verdrängerraum 21 gezogen wird, wodurch die Austrittsöffnung 10 freigegeben wird und dadurch Gas oder Luft in den Verdrängerraum 21 gelangt.
Nach der Befüllung des Verdrängerraums 21 wird die Abkühlung der Düsenplatte 9 eingestellt und die erstarrte Schmelze 8 in der Austrittsöffnung 10 wird durch die Schmelze 8 im Verdrängerraum 21 verflüssigt.
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Anschließend ist der Druckkopf 1 betriebsbereit und der Druckvorgang kann über eine Aktuierung der Aktorvorrichtung 12 stattfinden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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