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 PDFInfo
- Publication number
- DE102018000172A1 DE102018000172A1 DE102018000172.6A DE102018000172A DE102018000172A1 DE 102018000172 A1 DE102018000172 A1 DE 102018000172A1 DE 102018000172 A DE102018000172 A DE 102018000172A DE 102018000172 A1 DE102018000172 A1 DE 102018000172A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- printhead
- gas
- molten metal
- crucible
- metal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
- B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
- B05B1/02—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape
- B05B1/08—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape of pulsating nature, e.g. delivering liquid in successive separate quantities ; Fluidic oscillators
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/20—Direct sintering or melting
- B22F10/22—Direct deposition of molten metal
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/20—Cooling means
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/30—Process control
- B22F10/32—Process control of the atmosphere, e.g. composition or pressure in a building chamber
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/70—Gas flow means
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
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. Einführen des Rohmaterials, üblicherweise in Drahtform, in eine Schmelzkammer, die beheizt wird.
- 2. Aufheizen des Rohmaterials in der Kammer auf eine Temperatur über seinen Schmelzpunkt, so dass es schmilzt.
- 3. Einleitung der Schmelze in eine Düse. Alternativ kann die Düse auch direkt in die Schmelzkammer eingearbeitet sein.
- 4. Ausstoß der Schmelze aus der Düse.
- 1. Introduction of the raw material, usually in wire form, into a melting chamber which is heated.
- 2. Heating the raw material in the chamber to a temperature above its melting point so that it melts.
- 3. Introduction of the melt into a nozzle. Alternatively, the nozzle can also be incorporated directly into the melting chamber.
- 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
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
Ausführungsbeispielembodiment
In Zeichnung
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
In Zeichnung
- • 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.
- • 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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 4828886 [0003]US 4828886 [0003]
- US 5598200 [0003]US 5598200 [0003]
- US 5722479 [0003]US 5722479 [0003]
- US 6446878 [0003]US 6446878 [0003]
- US 4919335 [0003]US 4919335 [0003]
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018000172.6A DE102018000172A1 (en) | 2018-01-11 | 2018-01-11 | Method and apparatus for ejecting drops of molten metal by pulsed gas shocks |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018000172.6A DE102018000172A1 (en) | 2018-01-11 | 2018-01-11 | Method and apparatus for ejecting drops of molten metal by pulsed gas shocks |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102018000172A1 true DE102018000172A1 (en) | 2019-07-11 |
Family
ID=66995189
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102018000172.6A Withdrawn DE102018000172A1 (en) | 2018-01-11 | 2018-01-11 | Method and apparatus for ejecting drops of molten metal by pulsed gas shocks |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102018000172A1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4828886A (en) | 1986-11-05 | 1989-05-09 | U.S. Philips Corporation | Method of applying small drop-shaped quantities of melted solder from a nozzle to surfaces to be wetted and device for carrying out the method |
US4919335A (en) | 1988-07-19 | 1990-04-24 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Method and apparatus for atomization and spraying of molten metals |
US5598200A (en) | 1995-01-26 | 1997-01-28 | Gore; David W. | Method and apparatus for producing a discrete droplet of high temperature liquid |
US5722479A (en) | 1994-07-11 | 1998-03-03 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Directional electrostatic accretion process employing acoustic droplet formation |
US6446878B1 (en) | 1999-03-01 | 2002-09-10 | Sanjeev Chandra | Apparatus and method for generating droplets |
-
2018
- 2018-01-11 DE DE102018000172.6A patent/DE102018000172A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4828886A (en) | 1986-11-05 | 1989-05-09 | U.S. Philips Corporation | Method of applying small drop-shaped quantities of melted solder from a nozzle to surfaces to be wetted and device for carrying out the method |
US4919335A (en) | 1988-07-19 | 1990-04-24 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Method and apparatus for atomization and spraying of molten metals |
US5722479A (en) | 1994-07-11 | 1998-03-03 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Directional electrostatic accretion process employing acoustic droplet formation |
US5598200A (en) | 1995-01-26 | 1997-01-28 | Gore; David W. | Method and apparatus for producing a discrete droplet of high temperature liquid |
US6446878B1 (en) | 1999-03-01 | 2002-09-10 | Sanjeev Chandra | Apparatus and method for generating droplets |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102016224047A1 (en) | Printhead for 3D printing of metals | |
Yamaguchi et al. | Generation of three-dimensional micro structure using metal jet | |
DE102017204509A1 (en) | Printhead for 3D printing of metals | |
DE102014226425A1 (en) | 3D printer for metallic materials | |
EP1946012A1 (en) | Device for high-pressure gas heating | |
DE4242645C2 (en) | Method and device for producing metal balls of approximately the same diameter | |
EP3717152B1 (en) | Printhead for a 3d printer | |
DE102015113762A1 (en) | METHOD FOR FORMING OXID DISPERSION RESISTANT (ODS) ALLOYS | |
DE102015218375A1 (en) | Printhead for 3D printing of metals | |
Karampelas et al. | Drop-on-demand 3D metal printing | |
EP4076797B1 (en) | Print head for 3d printing of metals | |
EP1381485B1 (en) | Method and device for producing spherical metal particles | |
DE102019101860A1 (en) | Diffusion joining method and device therefor | |
DE102018000172A1 (en) | Method and apparatus for ejecting drops of molten metal by pulsed gas shocks | |
DE2656330C2 (en) | Process and device for the production of powders or granulates from metals and alloys | |
DE4323148A1 (en) | Apparatus for the resistance welding of metal sheets | |
EP3169523B1 (en) | Inkjet printing method, and assembly for carrying out the method | |
DE102022101339A1 (en) | ENERGY DISIPATIVE NOZZLES FOR DROP-ON-DEMAND PRINTING AND PROCESSES THEREOF | |
EP3078246A1 (en) | Method for forming an electrically conductive structure on a plastic substrate | |
DE102022124720A1 (en) | PRINTER EJECTION MECHANISM AND PRINTER EMPLOYING THE PRINTER EJECTION MECHANISM | |
DE102018221735A1 (en) | Print head for 3D printing of metals, device for additive manufacturing of three-dimensional workpieces, comprising a print head and method for operating a device | |
DE3116792C2 (en) | Process for obtaining granules from an alloy melt and apparatus for carrying out the same | |
DE102022123376A1 (en) | PRINTER EJECTION MECHANISM AND PRINTER USING THE PRINTER EJECTION MECHANISM | |
US11806783B2 (en) | Method of jetting print material and method of printing | |
DE102019220188A1 (en) | Method and device for the surface treatment of metallic surfaces |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |