DE102018000172A1 - Method and apparatus for ejecting drops of molten metal by pulsed gas shocks - Google Patents

Method and apparatus for ejecting drops of molten metal by pulsed gas shocks Download PDF

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Abstract

Technisches ProblemBei allen Vorrichtigungen, die dem Ausstoßen von Tropfen geschmolzenen Metalls dienen, ist eines der Hauptprobleme die effektive Wärmeisolierung des Hochtemperaturbereiches in dem sich die Metallschmelze befindet. Bei den bisherigen Verfahren, wird diese meistens jedoch nur unzureichend umgesetzt. Das hier vorgestellte Verfahren bietet eine deutliche Verbesserung der Wärmeisolierung des Hochtemperaturbereiches.Lösung des ProblemsDas Metall wird in Form eines Drahtes in einem speziellen Druckkopf geschmolzen. Dieser setzt sich zusammen aus einem Schmelztiegel und zwei Metallblechen. Der Schmelztiegel besitzt eine Schmelzkammer von der aus die Schmelze über einen Kanal in eine Düsenkammer fließt. Die Düsenkammer besitzt in ihrem oberen Bereich einen Gaseintritt und im unteren Bereich eine Austrittsdüse. Indem Inertgas pulsartig mit hoher Geschwindigkeit auf die Schmelzenoberfläche geleitete wird, werden Tropfen geschmolzenen Metalls aus der Austrittsdüse ausgestoßen. Die Metallbleche dienen sowohl als Heizelemente als auch als mechanisches Lager des Schmelztiegels. Dazu besitzen die Bleche an ihren Enden dünne Stege, die an speziellen Anschlussbolzen befestigt werden. Die Bleche werden mittels elektrischem Strom aufgeheizt. Weil der Druckkopf nur über Stege mit geringer Querschnittsfläche an den Rest des Apparates befestigt ist, ist eine gute Wärmeisolierung des Druckkopfes gegeben.AnwendungsgebietAusstoßen von Tropfen geschmolzenen Metalls.TECHNICAL PROBLEM One of the main problems with all equipment used for ejecting drops of molten metal is the effective heat insulation of the high temperature area in which the molten metal is located. In the previous method, this is usually implemented only inadequate. The process presented here provides a significant improvement in the thermal insulation of the high temperature region. Solution to the Problem The metal is melted in the form of a wire in a special printhead. This is composed of a crucible and two metal sheets. The crucible has a melting chamber from which the melt flows via a channel into a nozzle chamber. The nozzle chamber has a gas inlet in its upper region and an outlet nozzle in the lower region. By inertially directing inert gas onto the melt surface at high speed, drops of molten metal are ejected from the discharge nozzle. The metal sheets serve both as heating elements and as a mechanical bearing of the crucible. For this purpose, the sheets have thin webs at their ends, which are fastened to special connecting bolts. The sheets are heated by electric current. Because the printhead is attached to the rest of the apparatus only by small cross-sectional webs, there is good thermal insulation of the printhead. Field of application is ejecting drops of molten metal.

Description

Technisches GebietTechnical area

Gegenstand der hier vorgestellten Erfindung ist ein Verfahren, das dem gezielten Ausstoß von Tropfen geschmolzenen Metalls aus einer Düse dient. Die Erfindung umfasst weiterhin einen Apparat der dieses Verfahren realisiert. Ein potentielles Anwendungsgebiet eines derartigen Verfahrens ist die additive Fertigung von metallischen Volumenkörpern. Hierzu wird zuerst ein Computermodell des zu fertigenden Volumenkörpers in Schichten unterteilt. Basierend auf diesen Daten wird ein Apparat zum Ausstoßen der Metalltropfen relativ zu einer geeigneten Unterlage bewegt. Das bedeutet entweder wird der Apparat bewegt, oder die Unterlage oder beide zusammen. Während dieser Bewegung werden gezielt Metalltropfen ausgestoßen, die dann auf die Unterlage fallen und beim Auftreffen erstarren. Hierdurch wird der Volumenkörper Schicht für Schicht auf die Unterlage gedruckt. Eine weitere mögliche Anwendung ist das Drucken von Leiterbahnen auf elektronische Leiterplatten oder das Auftragen von geschmolzenem Lot auf Lötstellen. Verfahren zum gezielten Ausstoßen von flüssigem Metall werden im Allgemeinen unter dem Oberbegriff „Liquid Metal Jetting“, abgekürzt LMJ, zusammengefasst. Dabei wird zwischen Verfahren unterschieden bei denen der Ausstoß kontinuierlich geschieht und denen wo das flüssige Metall tropfenweise ausgestoßen wird. Im folgenden sollen aber nur die tropfenweisen Verfahren betrachtet werden.The object of the invention presented here is a method which is used for the targeted ejection of drops of molten metal from a nozzle. The invention further comprises an apparatus implementing this method. A potential field of application of such a method is the additive production of metallic solids. For this purpose, first a computer model of the volume to be produced is subdivided into layers. Based on these data, an apparatus for ejecting the metal drops is moved relative to a suitable base. This means either the apparatus is moved, or the pad or both together. During this movement, metal drops are ejected, which then fall on the surface and solidify on impact. As a result, the solid is printed layer by layer on the substrate. Another possible application is the printing of printed conductors on electronic circuit boards or the application of molten solder on solder joints. Methods for the targeted ejection of liquid metal are generally summarized under the generic term "Liquid Metal Jetting", abbreviated LMJ. A distinction is made between processes in which the discharge occurs continuously and where the liquid metal is ejected drop by drop. In the following, however, only the dropwise methods are to be considered.

Stand der TechnikState of the art

Die oben genannten Anwendungsgebiete machen LMJ zu einer vielversprechenden Technik in einer Vielzahl von Fertigungsprozessen. Deshalb sind in Industrie und Forschung nennenswerte Anstrengungen unternommen worden um LMJ-Verfahren und entsprechende Apparate für ihre Realisierung zu entwickeln. Das Grundprinzip ist dabei stets dasselbe.

  1. 1. Einführen des Rohmaterials, üblicherweise in Drahtform, in eine Schmelzkammer, die beheizt wird.
  2. 2. Aufheizen des Rohmaterials in der Kammer auf eine Temperatur über seinen Schmelzpunkt, so dass es schmilzt.
  3. 3. Einleitung der Schmelze in eine Düse. Alternativ kann die Düse auch direkt in die Schmelzkammer eingearbeitet sein.
  4. 4. Ausstoß der Schmelze aus der Düse.
The above applications make LMJ a promising technology in a variety of manufacturing processes. Therefore, considerable efforts have been made in industry and research to develop LMJ processes and corresponding apparatuses for their realization. The basic principle is always the same.
  1. 1. Introduction of the raw material, usually in wire form, into a melting chamber which is heated.
  2. 2. Heating the raw material in the chamber to a temperature above its melting point so that it melts.
  3. 3. Introduction of the melt into a nozzle. Alternatively, the nozzle can also be incorporated directly into the melting chamber.
  4. 4. ejection of the melt from the nozzle.

Im Allgemeinen ist es notwendig den gesamten Prozess in einer sauerstoffarmen Atmosphäre ablaufen zu lassen, da sonst Oxidationen auftreten würden. Das Ziel bei allen Verfahren ist es, den tropfenweisen Ausfluss der Schmelze zeitlich und räumlich so präzise wie möglich steuern zu können. Typischerweise haben die ausgestoßenen Tropfen einen Durchmesser von 40 - 500 [µm]. Die einzelnen Verfahren unterscheiden sich hauptsächlich in der Art und Weise, wie die Schmelze aus der Düse getrieben wird. Hierzu ist es notwendig eine Kraft auf die Schmelze auszuüben. Diese Kraft kann mechanisch, pneumatisch, elektromagnetisch oder akustisch erzeugt werden. Bei den mechanischen Verfahren, steht ein Aktor in mittelbarem oder unmittelbarem Kontakt mit der Metallschmelze. Indem der Aktor impulsartig betätigt wird, werden Druckimpulse auf die Schmelze ausgeübt wodurch einzelne Tropfen aus der Düse ausgestoßen werden. Bei den Verfahren in denen direkter Kontakt zwischen Schmelze und Aktor besteht, werden meistens Piezoaktoren eingesetzt. Beispielsweise wird im U.S Patent Nr. 4.828.886 , angemeldet von Hieber, ein Apparat beschrieben, bei dem Tropfen von geschmolzenem Lot ausgestoßen werden indem dieses mittels eines ringförmigen Piezoaktors aus einer Glasröhre verdrängt wird. Jedoch sind diese Verfahren nur bei Metallen anwendbar, die einen Schmelzpunkt unter 400 C° besitzen, da Piezoakutatoren beim Überschreiten ihrer Curie-Temperatur, die typischerweise zwischen 300 - 400 [C°] liegt, nicht mehr funktionieren. Soll LMJ auch bei hochschmelzenden Metallen wie Aluminium oder Kupfer eingesetzt werden, ist es notwendig, den Aktor von der Metallschmelze wärmetechnisch zu isolieren. Dies kann bewerkstelligt werden, indem ein Transmissionsglied zwischen Aktor und Schmelze geschaltet wird, wobei das Transmissionsglied hitzebeständig und ein schlechter Wärmeleiter sein muss. Ein derartiges Verfahren ist im U.S Patent Nr. 5.598.200 , angemeldet von Gore, beschrieben. Hier wird das eine Ende eines keramischen Stab in eine Kammer, gefüllt mit Metallschmelze, getaucht. Das andere Ende ist mit einem akustischem Impulsgenerator verbunden. Der keramische Stab, leitet die die erzeugten Impulse vom Generator in die Schmelze, wodurch die Schmelze tropfenweise aus einer Düse am unteren Ende der Kammer ausgestoßen wird. Es ist ebenfalls möglich akustische Wellen direkt zu benutzen, wie es im U.S Patent 5.722.479 , angemeldet von Oeftering, beschrieben wird. Eine Besonderheit dieser Erfindung ist, dass die Metallschmelze nicht aus einer Düse ausgestoßen wird. Stattdessen besitzt die Schmelzkammer eine Öffnung, die mit einem Film, bestehend aus der Schmelze, überzogen ist und durch ihre Oberflächenspannung aufrechterhalten wird. Durch die Einleitung von fokussierten akustischen Wellen wird dieser Film so zum Schwingen gebracht, dass sich einzelne Tropfen lösen. Diese Tropfen werden anschließend elektrisch aufgeladen und ihre Flugtrajektorie kann mittels Ablenkelektroden gesteuert werden. Im U.S Patent 6.446.878 , angemeldet von Chandra et al., wird eine Vorrichtung vorgestellt, bei der pneumatische Druckstöße benutzt werden um die Metallschmelze durch Düsen zu pressen. Für diesen Zweck besitzt die Schmelzkammer einen Eingang, der über ein steuerbares Ventil mit einen Behälter, gefüllt mit komprimierten Inertgas, verbunden ist. Durch das schnelle Öffnen und Schließen dieses Ventils, werden Druckstöße auf die Schmelze ausgeübt, so dass sie durch Düsen im unteren Teil der Kammer getrieben wird. Weiterhin ist es möglich die Schmelze mithilfe von magnetohydrodynamischen Kräften auszustoßen, wie es im U.S Patent Nr. 4.919.335 , angemeldet von Hobson et al., demonstriert wird. Bei dieser Technik wird ein elektrischer Strom durch die Schmelze geleitet. Gleichzeitig wird ein magnetisches Feld erzeugt, das die Schmelze senkrecht zur Stromrichtung durchsetzt. Durch die induzierten Lorentzkräfte wird die Schmelze aus einer Düse gepresst.In general, it is necessary to run the entire process in an oxygen-poor atmosphere, otherwise oxidation would occur. The aim of all processes is to be able to control the dropwise outflow of the melt in time and space as precisely as possible. Typically, the ejected droplets have a diameter of 40-500 [μm]. The individual methods differ mainly in the way in which the melt is forced out of the nozzle. For this it is necessary to exert a force on the melt. This force can be generated mechanically, pneumatically, electromagnetically or acoustically. In the mechanical process, an actuator is in direct or indirect contact with the molten metal. By pulsing the actuator, pressure pulses are applied to the melt whereby individual drops are expelled from the nozzle. In the processes in which there is direct contact between melt and actuator, piezo actuators are mostly used. For example, in the U.S. Patent No. 4,828,886 , filed by Hieber, describes an apparatus in which drops of molten solder are ejected by being displaced from a glass tube by means of an annular piezoactuator. However, these methods are only applicable to metals having a melting point below 400 C °, since piezoactuators do not work when exceeding their Curie temperature, which is typically between 300 - 400 [C °]. If LMJ is also to be used in refractory metals such as aluminum or copper, it is necessary to heat-isolate the actuator from the molten metal. This can be accomplished by switching a transmission member between the actuator and the melt, the transmission member having to be heat resistant and a poor conductor of heat. Such a method is in US Patent No. 5,598,200 , filed by Gore. Here, one end of a ceramic rod is immersed in a chamber filled with molten metal. The other end is connected to an acoustic pulse generator. The ceramic rod conducts the generated pulses from the generator into the melt, thereby dropping the melt dropwise from a nozzle at the bottom of the chamber. It is also possible to use acoustic waves directly, as in the US Patent 5,722,479 , filed by Oeftering. A special feature of this invention is that the molten metal is not ejected from a nozzle. Instead, the melting chamber has an opening which is coated with a film consisting of the melt and through its Surface tension is maintained. By introducing focused acoustic waves, this film is made to vibrate so that individual drops dissolve. These drops are then electrically charged and their trajectory can be controlled by means of deflection electrodes. in the US Patent 6,446,878 , filed by Chandra et al., a device is presented in which pneumatic pressure surges are used to force the molten metal through nozzles. For this purpose, the melting chamber has an inlet, which is connected via a controllable valve to a container filled with compressed inert gas. By quickly opening and closing this valve, pressure surges are applied to the melt, so that it is driven by nozzles in the lower part of the chamber. Furthermore, it is possible to eject the melt by means of magnetohydrodynamic forces, as in the U.S. Patent No. 4,919,335 , filed by Hobson et al., is demonstrated. In this technique, an electric current is passed through the melt. At the same time a magnetic field is generated, which passes through the melt perpendicular to the direction of flow. Due to the induced Lorentz forces, the melt is pressed out of a nozzle.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Besonders wenn hochschmelzende Metalle, wie Aluminium oder Kupfer mittels LMJ verarbeitet werden sollen, ist ein schlüssiges Konzept für die Wärmeisolierung der Metallschmelze unabdingbar. Es dürfen nur besonders hitzebeständige Materialien in Kontakt mit der Schmelze kommen und es ist sicherzustellen, dass es nicht zur Korrosion von Komponenten des Apparates oder zur Kontamination der Schmelze kommt. Eine schlechte Wärmeisolierung führt außerdem zu einem hohen Leistungsbedarf für die Heizung der Schmelze und Kühlung der hitzeempfindlichen Komponeten des Apparates. Obwohl fast allen Autoren die Wichtigkeit einer guten Wärmeisolierung bewusst ist, wird diese bei den bisher vorgestellten Verfahren lediglich am Rande behandelt. Eines der Hauptziele des hier vorgestellten Verfahrens ist es diese Lücke zu schließen.Especially if refractory metals, such as aluminum or copper are to be processed by LMJ, a coherent concept for the thermal insulation of the molten metal is indispensable. Only heat-resistant materials should come into contact with the melt and it must be ensured that no corrosion of components of the apparatus or contamination of the melt occurs. Poor thermal insulation also results in a high power requirement for heating the melt and cooling the heat sensitive components of the apparatus. Although almost all authors are aware of the importance of good thermal insulation, this is only marginally dealt with in the procedures presented so far. One of the main objectives of the procedure presented here is to close this gap.

Die Hauptkomponenten zur Realisierung des Verfahrens sind eine Kühlhalterung mit Drahtzuführung, ein Druckkopf und ein Gasstoßgenerator. Der Druckkopf besteht aus aus drei Teilen, nämlich zwei Metallblechen und einem Schmelztiegel. Die beiden Metallbleche dienen sowohl als Lager des Schmelztiegels als auch als Heizelemente. Alle 3 Teile müssen hochtemperaturfest sein. In den Schmelztiegel ist eine Schmelzkammer und eine Düsenkammer eingearbeitet, die mittels eines Kanals verbunden sind. Der Schmelztiegel muss lediglich wenige [cm3] groß sein. Mittels der Drahtzuführung wird ein Metalldraht in die Schmelzkammer eingeführt. Die Metallbleche haben an ihren Enden dünne Stege, die mit elektrischen Anschlüssen verbunden werden. Die elektrischen Anschlüsse wiederum sind Bolzen, die an der Kühlhalterung elektrisch isoliert und wärmeleitend befestigt sind. Die Querschnittfläche der Stege soll sehr viel kleiner sein, als die der Anschlussbolzen. Es wird eine elektrische Spannung an die Anschlüsse angelegt, so dass ein Strom durch die Metallbleche fließt. Die entstehende joulesche Wärme wird genutzt, um den Schmelztiegel auf eine Temperatur jenseits des Schmelzpunktes des zu verarbeitenden Metalls zu erhitzen. Die entstehende Schmelze fließt über den Verbindungskanal in die Düsenkammer. Diese hat in ihrem oberen Teil einen Gaseintritt und im unteren Bereich befindet sich die eigentliche Düse, aus der die Schmelze austreten kann. In den beiden Metallblechen sind entsprechende Aussparungen. Über dem Gaseintritt der Düsenkammer befindet sich die Mündung des Gasstoßgenerator. Beide werden durch einen dünnen Spalt getrennt. Der Gasstoßgenerator ist ein gasgefüllter Behälter, aus dessen Mündungsrohr Gas mit hoher Geschwindigkeit pulsartig ausgestoßen und in den Gaseintritt der Düsenkammer geleitet wird. Wenn der Gasstoß auf die Oberfläche der Schmelze trifft wird kurzzeitig ein Überdruck erzeugt, der groß genug ist um die Oberflächenspannung der Schmelze zu überwinden, so dass sich ein Tropfen aus der Düse löst. Das Gas wird seitlich abgedrängt und strömt aus dem Spalt in die Umgebung. Das verwendete Gas ist ein Inertgas, um chemischen Reaktionen mit der Schmelze vorzubeugen. Die Druckamplitude und -frequenz können gesteuert werden. Die Gasstöße können sowohl mechanisch als auch pneumatisch erzeugt werden. Wichtig ist aber lediglich, dass sich Gasstoßgenerator und Druckkopf nicht berühren, um eine direkte Wärmeleitung zwischen beiden Komponenten zu verhindern. Es wird eine gute Wärmeisolierung des Druckkopfes erreicht, weil dieser lediglich mit den Stegen der Metallbleche an den Rest der Apparatur angeschlossen ist. Je dünner die Querschnittsfläche der Stege ist, desto besser ist die Wärmeisolierung. Da auch der zu schmelzende Metalldraht eine sehr geringe Querschnittsfläche hat ist auch seine Wärmeleistung, die er an die Umgebung überträgt, gering. Es ist somit möglich den Druckkopf auf sehr hohe Temperaturen zu erhitzen, während sich der Rest der Apparatur kaum erwärmt. Dies wird mit einer aktiven Kühlung noch unterstützt.The main components for implementing the method are a wire feed cooling holder, a print head, and a gas impact generator. The printhead consists of three parts, namely two metal sheets and a crucible. The two metal sheets serve both as bearings of the crucible and as heating elements. All 3 Parts must be resistant to high temperatures. In the crucible, a melting chamber and a nozzle chamber is incorporated, which are connected by a channel. The crucible must be only a few [cm 3 ] in size. By means of the wire feed, a metal wire is introduced into the melting chamber. The metal sheets have at their ends thin webs, which are connected to electrical connections. The electrical connections in turn are bolts that are electrically insulated and heat-conducting attached to the cooling bracket. The cross-sectional area of the webs should be much smaller than that of the connecting bolt. An electrical voltage is applied to the terminals so that a current flows through the metal sheets. The resulting Joule heat is used to heat the crucible to a temperature beyond the melting point of the metal to be processed. The resulting melt flows through the connecting channel into the nozzle chamber. This has in its upper part a gas inlet and in the lower area is the actual nozzle from which the melt can escape. In the two metal sheets are corresponding recesses. Above the gas inlet of the nozzle chamber is the mouth of the gas impact generator. Both are separated by a thin gap. The gas impact generator is a gas-filled container from the mouth of which gas is ejected in a pulse-like manner at high speed and directed into the gas inlet of the nozzle chamber. When the gas impact hits the surface of the melt, an overpressure is generated for a short time, which is large enough to overcome the surface tension of the melt, so that a drop from the nozzle dissolves. The gas is forced sideways and flows out of the gap into the environment. The gas used is an inert gas to prevent chemical reactions with the melt. The pressure amplitude and frequency can be controlled. The gas shocks can be generated both mechanically and pneumatically. But it is important only that the gas impact generator and printhead do not touch, to prevent direct heat conduction between the two components. It is a good thermal insulation of the print head achieved because it is connected only to the webs of the metal sheets to the rest of the apparatus. The thinner the cross-sectional area of the webs, the better the thermal insulation. Since the metal wire to be melted also has a very small cross-sectional area, its heat output, which it transmits to the environment, is low. It is thus possible to heat the print head to very high temperatures, while the rest of the apparatus hardly heats up. This is still supported by active cooling.

Ausführungsbeispielembodiment

In Zeichnung 1 und 2 ist ein Apparat dargestellt, der die Erfindung realisiert. Er befindet sich in einer Schutzgasatmosphäre, vorzugsweise Argon. Der Druckkopf 1 ist elektrisch leitend an zwei Anschlussbolzen 6 und 7 angeschlossen. Die Anschlussbolzen sind gute Leiter für elektrischen Strom und Wärme und elektrisch isoliert an der Kühlhalterung befestigt. Es muss eine ausreichend gute Wärmeleitung zwischen Anschlussbolzen und Kühlhalterung gewährleistet sein. Ebenfalls auf der Kühlhalterung befestigt ist ein Kühlkörper 4. Er wird aktiv gekühlt, wobei 41 der Eingang für das Kühlmedium und 42 der Ausgang ist. Der Gasstoßgenerator 2 ist so gelagert, dass sein Mündungsrohr 21 knapp über der Düsenkammer des Druckkopfes liegt, wobei das Mündungsrohr durch eine Aussparung in der Kühlhalterung gesteckt wird. In Zeichnung 3 ist eine Querschnittansicht des Druckkopfes und der Kühlhalterung dargestellt. Um den Druckkopf aufzuheizen wird eine elektrische Spannung an die Anschlussbolzen angelegt, sodass ein Strom durch die Metallbleche des Druckkopfes fließt. Über die Drahtzuführung 5 wird der Metalldraht in die Schmelzkammer 11 geleitet. Hierzu wird der Draht in die Öffnung 53 eingeführt. Die Vorschubräder 51 und 52 werden mittels eines Schrittmotors (nicht abgebildet) angetrieben und schieben den Draht mittels Reibungskräften nach vorne. Außerdem führen die Vorschubräder die Überschusswärme, die vom Draht aus der Schmelzkammer weitergeleitet wird, ab. Hierzu ist es vorteilhaft, die Vorschubräder aus einem guten Wärmeleiter wie z.B Aluminium zu fertigen und sie so zu lagern, dass die Wärmeleitung zur Kühlhalterung möglichst wenig beeinträchtigt wird. Nachdem der Draht geschmolzen ist, fließt die Schmelze über den Verbindungskanal 12 in die Düsenkammer 13. Durch die Gasstöße, die aus dem Mündungsrohr 21 auf die Oberfläche der Schmelze treffen, wird diese tropfenweise aus der Düse 14 ausgestoßen. In Zeichnung 4 wird der Druckkopf im Detail dargestellt. Der Schmelztiegel 15 besteht aus einer hochtemperaturfesten Keramik. Die beiden Metallbleche 16 und 17 bestehen idealerweise aus Wolfram. Das obere Blech besitzt Aussparungen für den Schmelz- und Düsenkammereintritt. Das untere Blech besitzt eine für die Austrittsdüse. Die ringförmigen Aussparungen 19 dienen sowohl der Befestigung als auch dem elektrischen Anschluss an die Anschlussbolzen. Die Stege 18 erfüllen zwei Funktionen. Zum einen wird wegen ihres geringen Querschnitts der Großteil der jouleschen Wärme in ihnen erzeugt. Um zum anderen sorgt dies dafür, dass nur wenig Wärme in die Kühlhalterung geleitet wird, weil der Wärmewiderstand der Stege entsprechend groß ist. Er kann mit der Formel R t h = l λ A

Figure DE102018000172A1_0001
berechnet werden, wobei Rth den thermischen Widerstand, l die Länge des Steges, A seine Querschnittsfläche und λ des Wärmeleitkoeffizienten des verwendeten Metalls bezeichnet. Der infinitesimale Temperaturabfall dT über einem Abschnitt des Steges mit der infinitesimalen Länge dl berechnet sich zu d T = Q λ A d l ,
Figure DE102018000172A1_0002
wobei Q die Wärmeleistung ist, die durch den Abschnitt geleitet wird. Die Wärmeleistung wiederum ist abhängig, von der Stromstärke und dem spezifischen Widerstand p des Steges. Es gilt Q = ρ I 2 l A
Figure DE102018000172A1_0003
wobei I die Stromstärke im Steg darstellt. Im folgenden wird die Abhängigkeit von p und λ von der Temperatur vernachlässigt. Einsetzen von Formel (3) in (2) und anschließendes Integrieren ergibt dann Δ T = 0 l I 2 ρ τ λ A 2 d τ , Δ T = 1 2 I 2 ρ l 2 λ A 2 .
Figure DE102018000172A1_0004
In dieser Beziehung stellt ΔT die Temperaturdifferenz zwischen Anschlussbolzen und Schmelztiegel dar. Es seien die Werte aus Tabelle 1 gegeben.In drawing 1 and 2 an apparatus is shown which realizes the invention. It is in a protective gas atmosphere, preferably argon. The printhead 1 is electrically conductive to two connection bolts 6 and 7 connected. The connection bolts are good conductors for electric power and heat and electric attached to the cooling bracket. It must be ensured a sufficiently good heat conduction between the connecting bolt and the cooling bracket. Also attached to the cooling bracket is a heat sink 4 , He is actively cooled, being 41 the input for the cooling medium and 42 is the output. The gas shock generator 2 is stored so that its muzzle 21 just above the nozzle chamber of the print head, wherein the mouth tube is inserted through a recess in the cooling bracket. In drawing 3 is a cross-sectional view of the printhead and the cooling bracket shown. To heat the printhead, an electrical voltage is applied to the terminal studs so that a current flows through the metal sheets of the printhead. About the wire feeder 5 the metal wire gets into the melting chamber 11 directed. For this, the wire is in the opening 53 introduced. The feed wheels 51 and 52 are driven by a stepper motor (not shown) and push the wire forward by means of frictional forces. In addition, the feed wheels carry the excess heat, which is passed from the wire from the melting chamber off. For this purpose, it is advantageous to manufacture the feed wheels of a good heat conductor such as aluminum and store them so that the heat conduction to the cooling bracket is affected as little as possible. After the wire has melted, the melt flows over the connecting channel 12 in the nozzle chamber 13 , By the gas blows coming out of the muzzle 21 hit the surface of the melt, this is dropwise from the nozzle 14 pushed out. In drawing 4 the printhead is shown in detail. The melting pot 15 consists of a high temperature resistant ceramic. The two metal sheets 16 and 17 ideally consist of tungsten. The upper sheet has recesses for the melt and nozzle chamber entry. The lower plate has one for the outlet nozzle. The annular recesses 19 serve both the attachment and the electrical connection to the connecting bolts. The bridges 18 fulfill two functions. First, because of their small cross-section, most of the Joule heat is generated in them. On the other hand, this ensures that only little heat is conducted into the cooling holder, because the thermal resistance of the webs is correspondingly large. He can with the formula R t H = l λ A
Figure DE102018000172A1_0001
where R th is the thermal resistance, l the length of the ridge, A its cross-sectional area and λ the coefficient of thermal conductivity of the metal used. The infinitesimal temperature drop dT over a section of the ridge with the infinitesimal length dl is calculated to be d T = Q λ A d l .
Figure DE102018000172A1_0002
where Q is the heat output passed through the section. The heat output in turn depends on the current and the resistivity p of the web. It applies Q = ρ I 2 l A
Figure DE102018000172A1_0003
where I represents the current in the bridge. In the following, the dependence of p and λ on the temperature is neglected. Substituting formula (3) into (2) and then integrating then yields Δ T = 0 l I 2 ρ τ λ A 2 d τ . Δ T = 1 2 I 2 ρ l 2 λ A 2 ,
Figure DE102018000172A1_0004
In this respect, ΔT represents the temperature difference between the terminal stud and the crucible. The values given in Table 1 are given.

Einsetzen dieser Werte in Formel (4) ergibt eine Temperaturdifferenz von knapp 1000 [K]. Die umgesetzte Wärmeleistung ist Formel 3 zufolge 14,25 [W] pro Steg. Bei vier Stegen ergibt das insgesamt 57 [W] die von der Kühlhalterung abgeleitet werden müssen. Selbstverständlich müssen die Anschlussbolzen einen ausreichend großen Querschnitt aufweisen, damit verhindert wird, dass sie sich ebenfalls aufheizen. In der Realität wird eine Tabelle 1: Eigenschaften der Wolframbleche Bezeichnung Variablen Name Wert Spezifischer Widerstand von Wolfram (bei 1000 C°) ρ 2,85 · 10-7 [Ω/m] Wärmeleitfähikeit von Wolfram λ 167 [W/(m · K)] Länge des Steges l 0.02 [m] Querschnittsfläche des Steges A 10-6 [m2] Stromstärke I 50 [A] Tabelle 2: Eigenschaften des Druckkopfes. Bezeichnung Variablen Name Wert Emissionsgrad ε 0.8 Temperatur T 1273 [K] Oberfläche A 7,5 · 10-4 [m2] größere Leistung benötigt um die genannte Temperaturdifferenz ΔT aufrecht zu erhalten, als die eben berechnete, weil ein Teil der Wärmeleistung vom Druckkopf als Strahlung emittiert wird. Um die Strahlungsleistung des Druckkopfes in Abhängigkeit von seiner Temperatur zu bestimmen, wird das Stefan-Boltzmann-Gesetz verwendet. Dieses lautet P S = σ A T 4

Figure DE102018000172A1_0005
wobei PS die emittierte Strahlungsleistung, ε der Emissionsgrad, σ die Stefan-Boltzmann-Konstante und A die Oberfläche des Druckkopfes bezeichnet. Für den Druckkopf werden die Werte aus Tabelle 2 vorausgesetzt. Einsetzen der Werte in Formel (5) ergibt eine Strahlungsleistung von 88 [W]. Die Summe aus Strahlungsleistung und Wärmeleitungsleistung ergibt 145 [W]. Diese Angabe ist aber lediglich als grober Schätzwert zu verstehen, da insbesondere der Emissionsgrad ε stark mit der Oberflächenbeschaffenheit und der Temperatur variiert, Zudem sind der spezifische Widerstand und der Wärmeleitkoeffizient ebenfalls temperaturabhängig. Um die Strahlungsverluste gering zu halten, ist ein möglichst kleine Druckkopfoberfläche wünschenswert. Konvektionsverluste durch das umgebende Schutzgas werden vernachlässigt. Obwohl der Querschnitt der Stege gering ist, garantiert die hohe Festigkeit von Wolfram eine gute mechanische Stabilität und das selbst bei hohen Temperaturen von bis zu 2000 [C°].Inserting these values in formula (4) gives a temperature difference of just under 1000 [K]. The converted heat output is according to formula 3 14.25 [W] per bar. With four bars this gives a total of 57 [W] which must be derived from the cooling bracket. Of course, the connecting bolts must have a sufficiently large cross section, so that they are prevented from heating up as well. In reality, one will Table 1: Properties of the tungsten sheets designation Variable name value Specific resistance of tungsten (at 1000 C °) ρ 2.85 · 10 -7 [Ω / m] Thermal conductivity of tungsten λ 167 [W / (m · K)] Length of the bridge l 0.02 [m] Cross-sectional area of the bridge A 10 -6 [m 2 ] amperage I 50 [A] Table 2: Printhead Properties. designation Variable name value emissivity ε 0.8 temperature T 1273 [K] surface A 7.5 · 10 -4 [m 2 ] greater power needed to maintain the said temperature difference ΔT than the one just calculated, because part of the heat output is emitted by the printhead as radiation. In order to determine the radiation power of the print head as a function of its temperature, the Stefan Boltzmann law is used. This is P S = σ A T 4
Figure DE102018000172A1_0005
where P S denotes the emitted radiation power, ε the emissivity, σ the Stefan-Boltzmann constant and A the surface of the print head. For the printhead, the values in Table 2 are assumed. Substituting the values in formula (5) gives a radiant power of 88 [W]. The sum of radiant power and heat conduction power gives 145 [W]. However, this information is only to be understood as a rough estimate, since in particular the emissivity ε varies greatly with the surface condition and the temperature. In addition, the specific resistance and the heat conduction coefficient are also temperature-dependent. In order to keep the radiation losses low, the smallest possible print head surface is desirable. Convection losses due to the surrounding inert gas are neglected. Although the cross-section of the webs is low, the high strength of tungsten guarantees good mechanical stability, even at high temperatures of up to 2000 [C °].

In Zeichnung 5 ist eine Querschnittsansicht einer möglichen Ausführung des Gasstoßgenerators gezeigt. Er umfasst einen zylindrischen Behälter bestehend aus den beiden Hälften 22 und 23, die miteinander verschraubt werden. Die untere Hälfte 23 verjüngt sich kegelig und endet in das Mündungsrohr 21, das wiederum zum Gaseintritt der Düsenkammer führt. In der unteren Hälfte befindet sich eine Stahlmembran 25, die von einem gestapelten Piezoaktor 24 periodisch ausgelenkt wird. Diese Aktoren werden hergestellt indem mehrere Schichten einer piezoelektrischen Keramik miteinander verklebt werden. Bedingt durch den inversen piezoelektrischen Effekt erzeugt das Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Spannung innerhalb der Schichten, wodurch sich diese ausdehnen. Gestapelte Piezoaktoren können einen Stellweg von mehreren hundert [µm] aufweisen und erzeugen Kräfte von mehreren [kN]. Indem elektrische Hochspannungsimpulse auf den Aktor geleitet werden, werden Gasstöße erzeugt, weil durch die Auslenkung der Membran ein bestimmtes Gasvolumen schlagartig verdrängt wird. Um die Gasgeschwindigkeit zu erhöhen verjüngt sich der Querschnitt des Behälters in Richtung der Mündung. Je größer das Verhältnis der Flächen von Membran und Austrittsöffnung ist, desto höher ist der Geschwindigkeitszuwachs des Gases. Wie hoch der erzeugt Überdruck in der Düsenkammer ist, hängt von mehreren Faktoren ab, von denen einige im folgenden aufgezählt werden.

  • • Die Größe der Kraft, die auf die Membran aufgebracht wird und die Amplitude ihrer Auslenkung.
  • • Das Verhältnis der Größen der Oberfläche der Membran und der Austrittsfläche des Mündungsrohrs.
  • • Das Volumen in der unteren Behälterhälfte und ihre Form.
In drawing 5 a cross-sectional view of a possible embodiment of the gas shock generator is shown. It comprises a cylindrical container consisting of the two halves 22 and 23 which are bolted together. The lower half 23 tapers conically and ends in the mouth tube 21 , which in turn leads to the gas inlet of the nozzle chamber. In the lower half there is a steel membrane 25 that by a stacked piezoelectric actuator 24 is deflected periodically. These actuators are manufactured by bonding several layers of a piezoelectric ceramic together. Due to the inverse piezoelectric effect, the application of an electrical voltage creates a mechanical stress within the layers, causing them to expand. Stacked piezo actuators can have a travel of several hundred [μm] and generate forces of several [kN]. By electrical high voltage pulses are passed to the actuator, gas shocks are generated because the deflection of the membrane a certain volume of gas is suddenly displaced. In order to increase the gas velocity, the cross section of the container tapers in the direction of the mouth. The larger the ratio of the areas of the membrane and the outlet, the higher the rate of increase of the gas. How high the generated overpressure in the nozzle chamber depends on several factors, some of which are listed below.
  • • The magnitude of the force applied to the membrane and the amplitude of its deflection.
  • • The ratio of the sizes of the surface of the membrane and the outlet surface of the muzzle tube.
  • • The volume in the lower half of the container and its shape.

Eine weitere mögliche Ausführung des Gasstoßgenerators ist in Zeichnung 6 gezeigt. Ein geringes Volumen ist zwischen der Gummimembran 211 und dem Boden des rechten Behälters eingeschlossen. Der Aktor im Behälter 26 übt eine Kraft auf den Kolben 27 aus, der drehbar mit dem Hebel 29 verbunden ist. Das andere Ende des Hebels ist drehbar mit dem Kolben 210 verbunden, der Kontakt zur Gummimembran hat. Durch die verschieden langen Hebellängen findet eine Kraft- und Stellwegwandlung statt. Das Drehlager 27 des Hebels ist am Behälter 25 befestigt. Wenn die Gummimembran nach unten ausgelenkt wird, verkleinert sich das eingeschlossene Volumen und das verdrängte Gas wird als Gasstoß aus dem Mündungsrohr ausgestoßen. Die Gasstöße können nicht nur mechanisch erzeugt werden, sondern auch pneumatisch. Das wird von Zeichnung 7 verdeutlicht. Der Gasstoßgenerator besteht in dieser Ausführung lediglich aus dem Mündungsrohr 21 und einem Anschluss 212 für komprimiertes Gas. Der Anschluss ist mit einem Ventil verbunden und dieses wiederum mit einem Druckspeicher. Die Gasstöße werden durch wiederholtes pulsartiges Öffnen und Schließen des Ventils erzeugt.Another possible embodiment of the gas impact generator is in drawing 6 shown. A small volume is between the rubber membrane 211 and the bottom of the right container included. The Actuator in the container 26 exerts a force on the piston 27 out, rotatable with the lever 29 connected is. The other end of the lever is rotatable with the piston 210 connected, which has contact with the rubber membrane. Due to the different length lever lengths takes place a power and Stellwegwandlung. The pivot bearing 27 the lever is on the tank 25 attached. When the rubber membrane is deflected downwardly, the trapped volume decreases and the displaced gas is expelled from the mouth tube as a gas shock. The gas shocks can be generated not only mechanically, but also pneumatically. This is by drawing 7 clarified. The gas shock generator in this embodiment consists only of the outlet pipe 21 and a connection 212 for compressed gas. The connection is connected to a valve and this in turn to a pressure accumulator. The gas shocks are generated by repeated pulse-like opening and closing of the valve.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 4919335 [0003]US 4919335 [0003]

Claims (5)

Verfahren und Apparat zum Ausstoßen von Tropfen geschmolzenen Metalls mittels pulsartiger Gasstöße, wobei ein spezieller Druckkopf benutzt wird, um das zugeführte Metall in Drahtform zu schmelzen. Der Druckkopf setzt sich zusammen aus einem Schmelztiegel und zwei Metallblechen. Der Schmelztiegel besteht aus einer hitzefesten Keramik und enthält eine Schmelzkammer und eine Düsenkammer, die über einen Kanal verbunden sind. Die Düsenkammer hat in ihrem oberen Bereich einen Gaseintritt und im unteren Bereich eine Austrittsdüse. Die Metallbleche dienen sowohl als mechanisches Lager und als auch als Heizelemente des Schmelztiegels.A method and apparatus for ejecting drops of molten metal by pulsed gas shock using a special print head to melt the supplied metal in wire form. The printhead is composed of a crucible and two metal sheets. The crucible is made of a heat-resistant ceramic and contains a melting chamber and a nozzle chamber, which are connected via a channel. The nozzle chamber has a gas inlet in its upper area and an outlet nozzle in the lower area. The metal sheets serve both as a mechanical bearing and as heating elements of the crucible. Verfahren und Apparat zum Ausstoßen von Tropfen geschmolzenen Metalls mit einem Druckkopf gemäß Anspruch 1, wobei die Metallbleche über schmale Stege an Anschlussbolzen befestigt sind. Schmal bedeutet, dass die Stege eine weit geringere Querschnittsfläche haben als die Bereiche der Metallbleche, die in unmittelbarem mechanischen Kontakt mit dem Schmelztiegel stehen. Die Anschlussbolzen haben ebenfalls eine weit größere Querschnittsfläche als die Stege. Die Verbindung zwischen den Stegen und Anschlussbolzen ist elektrisch leitfähig.Method and apparatus for ejecting drops of molten metal with a printhead according to Claim 1 , wherein the metal sheets are attached via narrow webs to connecting bolts. Narrow means that the lands have a much smaller cross-sectional area than the areas of the metal sheets that are in direct mechanical contact with the crucible. The connecting bolts also have a much larger cross-sectional area than the webs. The connection between the bars and connecting pins is electrically conductive. Verfahren und Apparat zum Ausstoßen geschmolzenen Metalls mit einem Druckkopf gemäß Anspruch 1 und Anschlussbolzen gemäß Anspruch 2, wobei die Anschlussbolzen elektrisch isoliert aber wärmeleitend an einer Kühlhalterung befestigt sind. An der Kühlhalterung ist ein Kühlkörper befestigt, der aktiv gekühlt werden kann.Method and apparatus for ejecting molten metal with a printhead according to Claim 1 and connecting bolt according to Claim 2 , wherein the connecting pins are electrically isolated but heat-conductively attached to a cooling bracket. On the cooling bracket a heat sink is attached, which can be actively cooled. Verfahren und Apparat gemäß Anspruch 1, 2 und 3, wobei ein Gassstoßgenerator verwendet wird, um pulsartige Gasstöße zu erzeugen die auf den Druckkopf aus Anspruch 1 gerichtet sind. Die Gasstöße treiben die Schmelze aus der Austrittsdüse des Druckkopfes. Der Gasstoßgenerator kann sowohl mechanisch als auch pneumatisch ausgeführt sein.Method and apparatus according to Claim 1 . 2 and 3 wherein a gas-blast generator is used to generate pulsed gas shocks impinging on the printhead Claim 1 are directed. The gas blows drive the melt out of the discharge nozzle of the print head. The gas shock generator can be designed both mechanically and pneumatically. Verfahren und Apparat gemäß Anspruch 1, 2, 3 und 4, bei dem ein ein Gasstoßgenerator gemäß Anspruch 4 über dem Druckkopf befindet. Seine Austrittsmündung befindet sich knapp über dem Gaseintritt der Düsenkammer, wobei es aber keinen mechanischen Kontakt zwischen Gasstoßgenerator und Druckkopf gibt. Vielmehr sind beide durch einen schmalen Spalt getrennt.Method and apparatus according to Claim 1 . 2 . 3 and 4 in which a gas impact generator according to Claim 4 located above the printhead. Its exit orifice is just above the gas inlet of the nozzle chamber, but there is no mechanical contact between the gas shock generator and printhead. Rather, both are separated by a narrow gap.
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