DE102018200227A1 - Piston-punch assembly with flow gap for a 3D print head for metals - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Druckkopf (10) für einen 3-D Drucker für Metalle mit einem Schmelztiegel (12) mit flüssiger Metallschmelze (14) vorgeschlagen, wobei ein Kolben (20) in Längsrichtung bewegbar im Schmelztiegel (12) angeordnet ist. Ein Stempel (32) ragt in die Metallschmelze (14) hinein. Die Federkraft einer Feder (34) drückt den Kolben (20) von einer Austrittsöffnung (18) am unteren Ende des Druckkopfes (10) weg. Der Kolben (20) weist eine Durchflussöffnung (36) auf, die durch ein unteres Ende des Stempels (32) bei dessen Vorwärtsbewegung in Richtung der Austrittsöffnung (18) abgedichtet werden kann. Durch die Vorwärtsbewegung wird durch Kompression des flüssigen Metalls (14) ein Tropfen (30) aus der Austrittsöffnung (18) ausgestoßen. Die Feder (34) ist so ausgeführt, dass sich bei einer Rückwärtsbewegung des Stempels (32) und des Kolbens (20) der Stempel (32) schneller zurückzieht als der Kolben (20) und dadurch ein Durchflussspalt (42) in der Durchflussöffnung (36) entsteht, durch den flüssige Metallschmelze (14) aus dem Schmelzraum (28) in einen Kolbenraum vor der Austrittsöffnung (18) einfließen kann.

Figure DE102018200227A1_0000
A printhead (10) for a 3-D printer for metals with a liquid metal melt crucible (12) is proposed, wherein a piston (20) is arranged to be movable longitudinally in the crucible (12). A punch (32) protrudes into the molten metal (14). The spring force of a spring (34) pushes the piston (20) away from an exit opening (18) at the lower end of the print head (10). The piston (20) has a flow opening (36) which can be sealed by a lower end of the punch (32) as it moves forward towards the exit port (18). As a result of the forward movement, a droplet (30) is ejected from the outlet opening (18) by compression of the liquid metal (14). The spring (34) is designed so that during a backward movement of the punch (32) and the piston (20) of the punch (32) retracts faster than the piston (20) and thereby a flow gap (42) in the flow opening (36 ) is formed, can flow through the liquid molten metal (14) from the melting chamber (28) in a piston chamber in front of the outlet opening (18).
Figure DE102018200227A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft 3D-Drucker, insbesondere einen Druckkopf eines 3D-Druckers für thermoplastische Materialien, insbesondere Metalle.The invention relates to 3D printers, in particular a printhead of a 3D printer for thermoplastic materials, in particular metals.

Stand der TechnikState of the art

Ein 3D-Drucker für ein thermoplastisches Material erhält eine feste Phase eines 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 dem das Ausgangsmaterial geschmolzen wird. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und einer 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 relativ zueinander bewegt werden.A 3D printer for a thermoplastic material obtains a solid phase of a material as a raw material, generates a liquid phase therefrom, and selectively deposits this liquid phase at the locations associated with the object to be formed. Such a 3D printer includes a printhead in which the source material is melted. Furthermore, means for generating a relative movement between the print head and a work surface on which the object is to be formed are provided. In this case, either only the print head, only the work surface or both the print head and the work surface can be moved relative to each other.

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 in der Zeitspanne eingenommen, wenn eine andere Position auf der Arbeitsfläche bzw. einem Substrat angefahren wird und auf dem Weg dorthin kein Material ausgebracht werden soll. Zwischen den beiden Betriebszuständen des Druckkopfes kann beispielsweise umgeschaltet werden, indem der Vortrieb des festen Ausgangsmaterials ein- bzw. ausgeschaltet wird.The printhead has a first mode of operation in which liquid material exits therefrom and a second mode of operation in which no liquid material exits therefrom. The second operating state is taken, for example, in the period when a different position on the work surface or a substrate is approached and on the way there is no material to be applied. For example, it is possible to switch between the two operating states of the print head by switching on or off the propulsion of the solid starting material.

Gegenüber thermoplastischen Kunststoffen haben Metalle einen wesentlich höheren Schmelzpunkt und zugleich im flüssigen Zustand eine wesentlich geringere Viskosität. Ein Forschungsansatz zur Lösung der Aufgabe, dem Objekt nur an definierten Stellen flüssiges Metall hinzuzufügen, ist die pneumatische Drop-on-Demand-Technik (DoD). Diese Technik wird beispielsweise in der Veröffentlichung von Han-song Zuo, He-jun Li, Le-jua Qi, Jun Luo, Song-yi Zhong, Hai-peng Li, „Effect on wetting behavior on generation of uniform aluminum droplets obtained by pneumatic drop-on-demand technique“, Journal of Materials Processing Technology 214, 2566-2575 (2014) erläutert.Compared to thermoplastics metals have a much higher melting point and at the same time in the liquid state a much lower viscosity. One research approach to solving the problem of adding liquid metal to the object only in defined places is pneumatic Drop-on-Demand (DoD). This technique is used, for example, in the publication of Han-song Zuo, He-jun Li, Le-juaqi, Jun Luo, Song-yi Zhong, Hai-peng Li, "Effect on wetting behavior on the basis of pneumatic drop-on-demand technique", Journal of Materials Processing Technology 214, 2566-2575 (2014) explained.

Bekannt sind Lösungen, wo ein Schmelztiegel für eine Metallschmelze und ein dazugehörender Aktor vorgesehen sind. Dies kann beispielsweise ein Piezo-Aktor mit einem Stempel sein, aber auch Magnetventile sind einsetzbar. Der Stempel ragt vom Aktor in die Metallschmelze in einem Schmelztiegel und löst durch eine Verdrängungsbewegung eines Kolbens das Austreten eines Metalltropfens aus einer Austrittsöffnung aus.Solutions are known where a crucible for a molten metal and an associated actuator are provided. This can for example be a piezo actuator with a stamp, but solenoid valves are used. The stamp protrudes from the actuator in the molten metal in a crucible and triggers the exit of a metal drop from an outlet opening by a displacement movement of a piston.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Ausführungsformen der Erfindung können eine Qualität und Zuverlässigkeit eines Druckkopfes sowie eine Güte der erzeugten Tropfen verbessern. Der im Folgenden beschriebenen Erfindung liegen die nachfolgend dargelegten Überlegungen zugrunde. Bei den im Stand der Technik bekannten Lösungen führt die Bewegung eines in der Metallschmelze angeordneten Kolbens zu einer Verdrängung von Metallschmelze in Längsrichtung des Schmelztiegels und zwar sowohl in Richtung der Austrittsöffnung, aber auch ein häufig weit größerer Anteil in die Gegenrichtung, also in Richtung des Aktors. Die bekannten Lösungen weisen einen Ringspalt zwischen Kolben und einer Wandung eines Schmelztiegels auf, über den - nach dem Ausstoß eines Tropfens - flüssige Metallschmelze in einen Kolbenraum zwischen Kolben und der Austrittsöffnung ausgleichend nachfließen soll.Embodiments of the invention may improve a quality and reliability of a printhead as well as a quality of the generated drops. The invention described below is based on the considerations set out below. In the solutions known in the prior art, the movement of a piston arranged in the molten metal leads to a displacement of molten metal in the longitudinal direction of the crucible both in the direction of the outlet opening, but also a frequently far greater proportion in the opposite direction, ie in the direction of the actuator , The known solutions have an annular gap between the piston and a wall of a crucible, over which - after the ejection of a drop - liquid molten metal is to flow into a piston chamber between the piston and the outlet opening compensating.

Da der Anteil der Metallschmelze, die in Richtung des Aktors zurückfließt, als unerwünscht bzw. als Verlust zu betrachten ist, wird bisher dieser Ringspalt oft so ausgelegt, dass der Anteil der durch den Ringspalt nach oben verdrängten Metallschmelze im Vergleich zum gesamten durch die Bewegung des Kolbens oder des Stempels verdrängten Volumens möglichst klein ist.Since the proportion of molten metal that flows back in the direction of the actuator is to be regarded as undesirable or as a loss, so far this annular gap is often designed so that the proportion of displaced upwards through the annular gap molten metal compared to the total by the movement of the Piston or stamp displaced volume is as small as possible.

Allerdings zeigt sich, dass eine Verkleinerung des Ringspaltes dazu führt, dass innerhalb eines dafür vorgesehenen Zeitraums von wenigen Millisekunden während einer Rückbewegung des Stempels nicht ausreichend schnell flüssige Metallschmelze in den Kolbenraum nachfließen kann. Dies kann dazu führen, dass durch den kurzzeitig entstehenden Unterdruck im Kolbenraum Luft-bzw. Gasblasen im Bereich der Austrittsöffnung entstehen, die die Kompressionseigenschaften der Metallschmelze nachteilig verringern können. Weiterhin können Kavitationseffekte auftreten, die sich beispielsweise auf einer Unterseite des Kolbens durch Gasbläschen bemerkbar machen.However, it has been shown that a reduction of the annular gap leads to the fact that liquid metal melt can not flow into the piston chamber sufficiently quickly within a designated period of a few milliseconds during a return movement of the punch. This can lead to the short-term resulting negative pressure in the piston chamber air or. Gas bubbles arise in the region of the outlet opening, which can adversely reduce the compression properties of the molten metal. Furthermore, cavitation effects can occur, which are noticeable for example on an underside of the piston by gas bubbles.

Zur Lösung dieses Problems wird ein Druckkopf für einen 3-D Drucker für Metalle vorgeschlagen, der einen Schmelztiegel zur Aufnahme einer flüssigen Metallschmelze aufweist, wobei sich an einem unteren Ende des Schmelztiegels eine Austrittsöffnung befindet. Unter einem Schmelztiegel kann ein geeigneter Behälter oder ein geeignetes Gefäß verstanden werden, dass ausgestaltet ist, eine flüssige Metallschmelze aufzunehmen. Hierzu kann beispielsweise am Schmelztiegel ein Heizelement angeordnet sein, das die Metallschmelze in einem flüssigen Zustand hält. Die Austrittsöffnung dient zum Ausstoß eines Tropfens in Richtung einer Arbeitsfläche bzw. in Richtung eines Substrates. Die Metallschmelze kann beispielsweise Aluminium oder ähnliche geeignete Metalle aufweisen. Grundsätzlich sind statt der Metalle auch andere geeignete nichtmetallische thermoplastische Werkstoffe wie Kunststoffe und Ähnliches einsetzbar. Mit einem unteren Ende ist hier das zum Substrat bzw. zur Arbeitsfläche gerichtete Ende des Druckkopfes gemeint. Im Folgenden wird zur besseren Veranschaulichung davon ausgegangen, dass „unten“ die Richtung zur Austrittsöffnung bzw. in Richtung des Substrates gemeint ist und entsprechend mit „oben“ eine Richtung zum Aktor gemeint ist.To solve this problem, a printhead for a 3-D printer for metals is proposed, which has a crucible for receiving a liquid molten metal, wherein an outlet opening is located at a lower end of the crucible. A crucible may be understood to mean a suitable container or vessel that is configured to receive a liquid molten metal. For this purpose, for example, a heating element can be arranged on the crucible, which keeps the molten metal in a liquid state. The outlet opening serves to eject a drop in the direction of a working surface or in the direction of a substrate. The molten metal may for example be aluminum or have similar suitable metals. In principle, other suitable non-metallic thermoplastic materials such as plastics and the like can be used instead of the metals. By a lower end is meant the end of the printhead that faces the substrate or work surface. For the sake of better illustration, it is assumed below that the direction to the outlet opening or in the direction of the substrate is meant "downwards" and a direction to the actuator is correspondingly meant by "above".

Ein Kolben ist im Schmelztiegel in der Metallschmelze angeordnet und ist weiterhin in einer Längsrichtung des Schmelztiegels verschiebbar. Eine Breite des im Stand der Technik bekannten Ringspaltes kann hier auf ein technisch notwendiges Mindestmaß reduziert werden, beispielsweise um den Volumenstrom über den Ringspalt so klein wie möglich zu halten oder thermische Ausdehnungseffekte zu kompensieren. In einem Beispiel ist es jedoch möglich, dass zwischen der Innenwandung des Schmelztiegels und dem Kolben zusätzlich ein Ringspalt ausgebildet ist, was in Kombination mit der hier vorgestellten Lösung ebenfalls möglich ist. Auf einer Oberseite des Kolbens bildet der Schmelztiegel einen Schmelzraum. Dieser Schmelzraum kann als Reservoir für flüssige Metallschmelze gesehen werden, der gemäß einem Beispiel auch mit einem erhöhten Druck beaufschlagt sein kann.A piston is disposed in the molten crucible in the molten metal and is further slidable in a longitudinal direction of the crucible. A width of the ring gap known in the state of the art can here be reduced to a technically necessary minimum, for example in order to keep the volume flow over the annular gap as small as possible or to compensate for thermal expansion effects. In one example, however, it is possible that an annular gap is additionally formed between the inner wall of the crucible and the piston, which is also possible in combination with the solution presented here. On top of the piston, the crucible forms a melting space. This melting space can be seen as a reservoir for liquid molten metal, which can also be subjected to an increased pressure according to one example.

Der Kolben ist dabei vorzugsweise vollständig innerhalb der Metallschmelze geführt bzw. vollständig von Metallschmelze umgeben. Im Bereich zwischen dem Kolben und der Austrittsöffnung ist ein Kolbenraum gebildet. Der Kolbenraum kann als der Bereich des Schmelztiegels verstanden werden, der durch einen Hub des Kolbens in Richtung der Austrittsöffnung komprimiert wird und aus dem über die Austrittsöffnung der ausgestoßene Tropfen stammt.The piston is preferably guided completely within the molten metal or completely surrounded by molten metal. In the area between the piston and the outlet opening, a piston chamber is formed. The piston chamber can be understood as the region of the crucible which is compressed by a stroke of the piston in the direction of the outlet opening and from which the ejected drop is discharged via the outlet opening.

Ein Stempel ragt von einer Oberseite des Schmelztiegels in die Metallschmelze hinein und ist in Längsrichtung des Schmelztiegels bewegbar. Beispielsweise kann ein oberer Teilbereich des Stempels außerhalb des Schmelztiegels angeordnet sein und in mechanischem Kontakt mit dem Aktor stehen. Gemäß einem Beispiel ist es auch möglich, dass sich der Stempel in einem zweiten Betriebszustand ohne Ausstoß eines Tropfens komplett außerhalb der flüssigen Metallschmelze befindet und zur Kompression und Initiierung des Tropfenausstoßes jedes Mal in die flüssige Metallschmelze eintaucht.A ram protrudes from an upper side of the crucible into the molten metal and is movable in the longitudinal direction of the crucible. For example, an upper portion of the punch may be located outside the crucible and in mechanical contact with the actuator. According to one example, it is also possible that the plunger is completely outside the liquid molten metal in a second operating state without ejection of a drop and immersed in the liquid molten metal for compression and initiation of the drop ejection.

Eine Feder ist im Schmelztiegel so angeordnet, dass deren Federkraft den Kolben von der Austrittsöffnung wegbewegt. Beispielsweise erhöht sich eine notwendige Kraft zum Weiterverschieben des Kolbens in Richtung der Austrittsöffnung durch die Kompression der Feder. Der Kolben weist eine in Bewegungsrichtung verlaufende durchgängige Durchflussöffnung auf. Diese Durchflussöffnung ist beispielsweise als kreisförmige oder rohrförmige Bohrung in einer Mitte einer Kolbenfläche angeordnet. Die Durchflussöffnung ist vorzugsweise so ausgeführt, dass flüssige Metallschmelze ohne großen Widerstand vom Schmelzraum in den Kolbenraum fließen kann. Gemäß einem Beispiel kann der Kolben als Kolbenhülse verstanden werden, der zusammen mit dem Stempel eine Funktion eines Kolbens zur Kompression abbildet.A spring is arranged in the crucible so that its spring force moves the piston away from the exit opening. For example, a necessary force for further displacement of the piston in the direction of the outlet opening increases due to the compression of the spring. The piston has a continuous flow opening extending in the direction of movement. This flow opening is arranged, for example, as a circular or tubular bore in a center of a piston surface. The flow opening is preferably designed so that liquid molten metal can flow from the melting space into the piston space without great resistance. According to one example, the piston can be understood as a piston sleeve which, together with the piston, represents a function of a piston for compression.

Der Stempel ist in seiner Querschnittsform und Durchmesser so ausgestaltet, dass er bei einer Vorwärtsbewegung des Stempels in den Schmelzraum in Richtung der Austrittsöffnung den Kolben in einer Vorwärtsbewegung in Richtung der Austrittsöffnung verschiebt und dabei die Durchflussöffnung dichtend verschließt. Mit anderen Worten kann dies als Ventil verstanden werden, das durch den mechanischen Kontakt des Stempels mit dem Kolben verschlossen wird. Hierdurch kann keine flüssige Metallschmelze in den Schmelzraum zurückfließen, sodass eine verbesserte Kompressionswirkung im Kolbenraum erreicht werden kann. Durch diese Kompression wird ein Tropfen des flüssigen Metalls aus der Austrittsöffnung ausgestoßen.The punch is designed in its cross-sectional shape and diameter so that it moves in a forward movement of the punch in the melting chamber in the direction of the outlet opening the piston in a forward movement in the direction of the outlet opening, thereby sealingly closes the flow opening. In other words, this can be understood as a valve which is closed by the mechanical contact of the punch with the piston. As a result, no liquid molten metal can flow back into the melting chamber, so that an improved compression effect in the piston chamber can be achieved. By this compression, a drop of the liquid metal is expelled from the exit port.

Die Feder ist dabei so ausgeführt, dass bei einer Rückwärtsbewegung des Stempels weg von der Austrittsöffnung eine Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung des Stempels größer ist als eine Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung des Kolbens. Mit anderen Worten zieht sich bei einer schnellen Umkehr der Bewegungsrichtung des Aktors in die Gegenrichtung der Stempel deutlich schneller zurück als der Kolben, der sich zeitverzögert bzw. langsamer der Rückwärtsbewegung folgt. Durch die relative Wegbewegung des Stempels vom Kolben entsteht in der Durchflussöffnung des Kolbens ein Durchflussspalt zwischen dem Stempel und dem Kolben, durch den flüssige Metallschmelze aus dem Schmelzraum in den Kolbenraum einfließen kann. Als Vorteil kann hier gesehen werden, dass durch die größeren Freiheitsgrade der Dimensionierung des Durchflussspaltes und der Durchflussöffnung ein effektiv größerer Querschnitt und Volumen für das Einfließen von flüssiger Metallschmelze vom Schmelzraum in den Kolbenraum zur Verfügung steht als bei den bisher bekannten Lösungen, insbesondere bei bisheriger Verwendung eines Ringspaltes. Dies führt vorteilhaft dazu, dass keine nachteiligen Unterdruckverhältnisse oder andere Bedingungen entstehen, die ein Einsaugen von Luft bzw. die Bildung von Gasblasen verursachen oder zumindest begünstigen.The spring is designed so that when a backward movement of the punch away from the outlet opening a speed of the backward movement of the punch is greater than a speed of the backward movement of the piston. In other words, in the case of a rapid reversal of the direction of movement of the actuator in the opposite direction, the punch retracts much faster than the piston, which follows the backward movement in a time-delayed or slower manner. Due to the relative movement of the plunger away from the piston, a flow gap is formed in the flow opening of the piston between the plunger and the piston, through which molten metal melt from the melting chamber can flow into the piston chamber. As an advantage, it can be seen here that due to the greater degrees of freedom of the dimensioning of the flow gap and the flow opening, an effectively larger cross-section and volume for the inflow of liquid molten metal from the melting space into the piston space is available than in the hitherto known solutions, in particular in the case of previous use an annular gap. This advantageously leads to the fact that no disadvantageous negative pressure conditions or other conditions arise which cause or at least favor a suction of air or the formation of gas bubbles.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Stempel mittels eines Piezo-Aktors bewegt. Derartige piezobasierte Aktoren können sich insbesondere vorteilhaft für die notwendige schnelle Umkehrbewegung von einer Vorwärtsbewegung zu einer Rückwärtsbewegung des Stempels eignen. Gemäß einem weiteren Beispiel wird der Stempel mittels eines magnetischen Aktors bewegt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Feder so ausgestaltet, dass bei einer Vorwärtsbewegung des Stempels ein Druck des Kolbens in Rückwärtsrichtung zum dichtenden Verschließen der Durchflussöffnung erzeugt wird. Anders beschrieben werden der Stempel und der Kolben gemeinsam gegen die Kraft der Feder nach unten in Richtung der Austrittsöffnung bewegt. Weiterhin kann die beschriebene Anordnung beispielsweise so verstanden werden, dass der Kolben durch die Feder gegen ein unteres Ende des Stempels gedrückt wird und somit eine erhöhte Dichtungswirkung erreicht wird. In einem Beispiel beträgt eine solche Anpresskraft 10 bis 20 Newton.According to one embodiment of the invention, the punch is moved by means of a piezo actuator. Such piezobased actuators can be particularly advantageous for the necessary fast Reversing movement of a forward movement to a backward movement of the punch are suitable. According to another example, the punch is moved by means of a magnetic actuator. According to one embodiment of the invention, the spring is configured such that upon advancement of the plunger a pressure of the plunger is created in the reverse direction for sealing the flow opening. Described differently, the plunger and the piston are moved together against the force of the spring downwards in the direction of the outlet opening. Furthermore, the arrangement described can for example be understood that the piston is pressed by the spring against a lower end of the punch and thus an increased sealing effect is achieved. In one example, such a contact pressure 10 to 20 Newton.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist am Schmelzraum ein mechanischer Anschlag zur Begrenzung der Rückwärtsbewegung des Kolbens vorgesehen. Mit anderen Worten soll verhindert werden, dass beispielsweise durch die Wirkung der Feder der Kolben zu weit nach oben aus der Metallschmelze gehoben werden könnte. In einem Beispiel kann hierdurch weiterhin verhindert werden, dass das Volumen im Kolbenraum zu groß wird. Ebenfalls vorteilhaft kann sich hierdurch ein erhöhter Freiheitsgrad bei der Dimensionierung der Feder ergeben, da beispielsweise nicht auf eine maximale Auslenkung geachtet werden muss.According to one embodiment of the invention, a mechanical stop for limiting the rearward movement of the piston is provided on the melting chamber. In other words, it should be prevented that, for example, by the action of the spring, the piston could be lifted too far out of the molten metal. In one example, this can further prevent the volume in the piston chamber from becoming too large. Also advantageously, this can result in an increased degree of freedom in the dimensioning of the spring, since, for example, must not be paid to a maximum deflection.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Feder im Kolbenraum zwischen Kolben und einer Wandung des Kolbenraumes angeordnet. So kann sich beispielsweise der Kolben über die Feder von einem unteren Ende des Kolbenraumes abstützen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Feder als Tellerfeder oder Schraubenfeder ausgeführt. Als Vorteile können hier ein vergleichsweise einfacher Aufbau und gute Federwirkung bei bewährten einfachen Federausführungen gesehen werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Feder als Zugfeder ausgeführt und zwischen dem Kolben und einer Innenwandung des Schmelztiegels oberhalb des Kolbens angeordnet. Mit anderen Worten wird hier die Feder während der Kompression nicht auf Druck belastet, sondern auf Zug.According to one embodiment of the invention, the spring is arranged in the piston chamber between the piston and a wall of the piston chamber. Thus, for example, the piston can be supported by the spring from a lower end of the piston chamber. According to one embodiment of the invention, the spring is designed as a plate spring or coil spring. As advantages, a comparatively simple structure and good spring action can be seen in proven simple spring designs here. According to one embodiment of the invention, the spring is designed as a tension spring and arranged between the piston and an inner wall of the crucible above the piston. In other words, here the spring is not loaded during compression but to pressure, but on train.

Durch die Anordnung oberhalb der flüssigen Metallschmelze gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung muss die Feder selbst nicht notwendigerweise in der heißen Metallschmelze angeordnet sein, was eine Haltbarkeit und Zuverlässigkeit erhöhen kann. In einem Beispiel kann eine Verbindung zwischen einer Oberseite des Kolbens und einem unteren Ende der Feder dadurch hergestellt werden, dass eine mechanische Verlängerung, beispielsweise eine Zugstange verwendet wird. Hier wäre es lediglich die Zugstange, die in der heißen flüssigen Metallschmelze angeordnet wäre und die Feder selbst mitsamt ihrer Ausdehnung außerhalb der Metallschmelze angeordnet wäre.By the arrangement above the liquid molten metal according to another embodiment of the invention, the spring itself need not necessarily be disposed in the hot molten metal, which can increase durability and reliability. In one example, a connection between a top of the piston and a bottom of the spring may be made by using a mechanical extension, such as a pull rod. Here it would be only the pull rod, which would be arranged in the hot liquid molten metal and the spring itself, together with its extension outside the molten metal would be arranged.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Druck der flüssigen Metallschmelze im Schmelzraum während der Rückwärtsbewegung des Stempels gegenüber einem Druck im Kolbenraum erhöht. Dies kann zum Vorteil haben, dass flüssige Metallschmelze mit höherer Geschwindigkeit und damit höherem Volumen und schneller durch den Durchflussspalt in den Kolbenraum hineingedrückt wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Druckerhöhung zumindest teilweise durch die Energie der Rückwärtsbewegung des Stempels erzeugt. Hierzu sind im Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt, die die Energie der Rückwärtsbewegung des Stempels nutzen können und so beispielsweise eine Kompression des Schmelzraumes zu erreichen. Dies kann weiterhin den Vorteil haben, dass die Zeitspanne, in der sich der Stempel in einer Rückwärtsbewegung befindet in etwa auch der Zeitspanne entspricht, in dem eine Druckerhöhung im Schmelzraum vorteilhaft wäre.In one embodiment of the invention, a pressure of the liquid molten metal in the melting chamber is increased during the backward movement of the punch relative to a pressure in the piston chamber. This may have the advantage that liquid molten metal is forced into the piston chamber at a higher speed and thus higher volume and faster through the flow gap. According to one embodiment of the invention, the pressure increase is generated at least in part by the energy of the backward movement of the punch. For this purpose, various solutions are known in the prior art, which can use the energy of the backward movement of the punch and thus to achieve, for example, a compression of the melting space. This may also have the advantage that the time period in which the punch is in a backward movement corresponds approximately to the time span in which an increase in pressure in the melting chamber would be advantageous.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Rückwärtsbewegung des Stempels mindestens doppelt so hoch wie eine Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung des Kolbens. Mit anderen Worten kann ein deutlicherer Geschwindigkeitsunterschied zwischen der Rückwärtsbewegung des Stempels und der Rückwärtsbewegung des Kolbens den Vorteil haben, dass sich der Durchflussspalt vergleichsweise frühzeitig bei Beginn der Rückwärtsbewegung öffnet und so mehr Zeit zum Einfließen von ausreichend flüssiger Metallschmelze in den Kolbenraum zur Verfügung stehen kann.In one embodiment of the invention, a backward movement of the punch is at least twice as high as a speed of the rearward movement of the piston. In other words, a more pronounced difference in speed between the backward movement of the punch and the backward movement of the piston can have the advantage that the flow gap opens comparatively early in the beginning of the backward movement and so more time can be available for flowing sufficient liquid molten metal into the piston chamber.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen eines metallischen Tropfens aus einer flüssigen Metallschmelze in einem Druckkopf vorgeschlagen. In einem ersten Schritt erfolgt hierzu ein Hineinbewegen eines Stempels in einen Schmelztiegel mit flüssiger Metallschmelze. Hierbei verschließt der Stempel eine Durchflussöffnung eines Kolbens im Schmelztiegel dichtend. Der Stempel verschiebt den Kolben hierbei in Richtung einer Austrittsöffnung und löst damit den Ausstoß eines Tropfens flüssigen Metalls aus. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Herausbewegen des Stempels aus dem Schmelztiegel mit einer Rückwärtsbewegung. Dabei bewegt eine Feder gleichzeitig den Kolben mit einer Rückwärtsbewegung von der Austrittsöffnung weg. Hierbei wird der Stempel mit einer größeren Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung bewegt als eine Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung des Kolbens. Hierdurch entsteht ein Durchflussspalt in der Durchflussöffnung des Kolbens, durch den flüssige Metallschmelze aus dem Schmelzraum in den Kolbenraum einfließt.In a further aspect of the invention, a method for producing a metallic drop from a liquid molten metal in a printhead is proposed. In a first step, this is done by moving a stamp into a crucible with liquid molten metal. In this case, the plunger sealingly closes a flow opening of a piston in the crucible. The punch displaces the piston in the direction of an outlet opening and thus triggers the ejection of a drop of liquid metal. In a further step, the stamp is moved out of the crucible with a backward movement. At the same time a spring moves the piston with a backward movement away from the outlet opening. Here, the punch is moved at a greater speed of the backward movement than a speed of the backward movement of the piston. This creates a flow gap in the flow opening of the piston, flows through the liquid molten metal from the melting chamber into the piston chamber.

Figurenliste list of figures

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich.

  • 1 zeigt einen Druckkopf gemäß der Erfindung in Schnittdarstellung während einer Vorwärtsbewegung eines Kolbens.
  • 2 zeigt einen Druckkopf gemäß der Erfindung in Schnittdarstellung während einer Rückwärtsbewegung eines Kolbens.
  • 3 zeigt einen Druckkopf gemäß der Erfindung mit einer oberhalb einer Metallschmelze angeordneten Zugfeder.
  • 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen eines metallischen Tropfens aus einer flüssigen Metallschmelze.
Other features and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following description of exemplary embodiments, which should not be construed as limiting the invention, and with reference to the accompanying drawings.
  • 1 shows a printhead according to the invention in a sectional view during forward movement of a piston.
  • 2 shows a printhead according to the invention in a sectional view during a backward movement of a piston.
  • 3 shows a printhead according to the invention with a arranged above a molten metal spring.
  • 4 shows a method according to the invention for producing a metallic drop from a liquid molten metal.

Alle Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. In den Figuren sind ähnliche oder gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert.All figures are only schematic and not to scale. In the figures, similar or like elements are numbered with like reference numerals.

Detaillierte Beschreibung der FigurenDetailed description of the figures

In 1 ist ein erfindungsgemäßer Druckkopf 10 mit einem Schmelztiegel 12 gezeigt. Der Schmelztiegel 12 dient als Behältnis für eine flüssige Metallschmelze 14. Zum Erhalt einer flüssigen Metallschmelze 14, beispielsweise aus einem festen Ausgangsmaterial, kann zusätzlich ein Heizelement 16 am Schmelztiegel 12 oder in einer Wandung des Schmelztiegel 12 angebracht sein. An einem unteren Ende des Schmelztiegels 12 ist eine Austrittsöffnung 18 angeordnet. Diese kann beispielsweise für eine Aluminiumschmelze einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,2 - 0,4 mm aufweisen. Ein Kolben 20 ist innerhalb der flüssigen Metallschmelze 14 angeordnet und in der hier gezeigten Darstellung vertikal entlang einer Innenwandung 22 des Schmelztiegel 12 verschiebbar oder bewegbar angeordnet. Der Schmelztiegel 12 bildet auf einer Oberseite des Kolbens 20 einen Schmelzraum aus und bildet weiterhin im Bereich zwischen dem Kolben 20 und der Austrittsöffnung 18 einen Kolbenraum 26 aus.In 1 is a printhead according to the invention 10 with a melting pot 12 shown. The melting pot 12 serves as a container for a liquid molten metal 14 , To obtain a liquid molten metal 14 For example, from a solid starting material, in addition, a heating element 16 at the crucible 12 or in a wall of the crucible 12 to be appropriate. At a lower end of the crucible 12 is an exit opening 18 arranged. This may have a diameter of the order of 0.2-0.4 mm, for example, for an aluminum melt. A piston 20 is inside the liquid molten metal 14 arranged and in the representation shown here vertically along an inner wall 22 of the crucible 12 slidably or movably arranged. The melting pot 12 forms on a top of the piston 20 a melting space and continues to form in the area between the piston 20 and the exit opening 18 a piston chamber 26 out.

Der Ringspalt 24 ist hier derart ausgeführt, dass lediglich ein im Vergleich zum Volumen eines ausgestoßenen Tropfens 30 bzw. Ligaments ein geringst möglicher Volumenstrom als Rückströmung zwischen dem Kolbenraum 26 und dem Schmelzraum 28 fließt. Ein Stempel 32 ragt in Längsrichtung des Schmelztiegels 12 von einer Oberseite des Schmelztiegels 12 in die flüssige Metallschmelze 14 hinein. Ein Aktor 40 ist hier außerhalb des Schmelztiegels 12 angeordnet und ausgeführt, den Stempel 32 zu bewegen. In einem Beispiel ist der Aktor 40 ein Piezo-Aktor. Typischerweise liegen die erzeugten zyklischen Bewegungen des Stempels 32 durch den Aktor 40 im Bereich von etwa 100 - 2000 Hz und ein Hub des Stempels liegt beispielsweise im Bereich von etwa 3-10 Mikrometern.The annular gap 24 is here designed such that only one compared to the volume of an ejected drop 30 or Ligaments a lowest possible volume flow as backflow between the piston chamber 26 and the melting room 28 flows. A stamp 32 protrudes in the longitudinal direction of the crucible 12 from a top of the crucible 12 into the liquid molten metal 14 into it. An actor 40 is here outside the crucible 12 arranged and executed the stamp 32 to move. In one example, the actuator is 40 a piezo actuator. Typically, the generated cyclic movements of the stamp are 32 through the actor 40 in the range of about 100 - 2000 Hz and a stroke of the punch is for example in the range of about 3-10 microns.

Im Kolbenraum 26 sind zwei Federn 34 angeordnet, die im hier gezeigten Beispiel als Schraubenfedern ausgeführt sind. Im Kolben 20 ist hier mittig eine Durchflussöffnung 36 angeordnet, die ohne Stempel 32 für die Metallschmelze 14 eine Verbindung zwischen dem Schmelzraum 28 und dem Kolbenraum 26 bildet. Durch die durchgehende Durchflussöffnung 36 kann der Kolben 20 hülsenartig oder zylinderförmig ausgestaltet sein. Deren Durchmesser und Form ist derart ausgeführt, dass vorzugsweise eine ausreichend große Querschnittsfläche für einen schnellen Durchfluss von flüssiger Metallschmelze 14 zur Verfügung steht. Der Stempel 32 ist an seinem unteren Ende 38 in seiner Form und Durchmesser so ausgestaltet, dass er bei einer Vorwärtsbewegung in Richtung der Austrittsöffnung 18 die Durchflussöffnung 36 mechanisch kontaktiert und gleichzeitig dichtend verschließt. Hierdurch wird bei einer Vorwärtsbewegung des Stempels 38 gleichzeitig der Kolben 20 in einer Vorwärtsrichtung in Richtung der Austrittsöffnung 18 verschoben. Der Stempel 32 verschließt die Durchflussöffnung 36 durch seine Form sowie durch eine Anpresskraft resultierend aus der Vorwärtsbewegung des Stempels 32 und einer Federkraft der Federn 34. Dadurch kommt es zu einer Kompression der flüssigen Metallschmelze 14 im Kolbenraum 26. Hierdurch wird ein Tropfen 30 der flüssigen Metallschmelze 14 aus der Austrittsöffnung 18 ausgestoßen. Dabei bewegt sich der Stempel 32 zusammen mit dem Kolben 20 entgegen einer von den Federn 34 verursachten Federkraft und komprimiert die Federn 34.In the piston chamber 26 are two springs 34 arranged, which are designed in the example shown here as coil springs. In the piston 20 here is a flow opening in the middle 36 arranged without stamp 32 for the molten metal 14 a connection between the melting chamber 28 and the piston chamber 26 forms. Through the continuous flow opening 36 can the piston 20 be sleeve-like or cylindrical. Their diameter and shape are designed such that preferably a sufficiently large cross-sectional area for a rapid flow of liquid molten metal 14 is available. The Stamp 32 is at its lower end 38 in its shape and diameter designed so that it moves forward in the direction of the outlet opening 18 the flow opening 36 mechanically contacted and sealed at the same time sealing. This will be at a forward movement of the punch 38 at the same time the piston 20 in a forward direction toward the exit port 18 postponed. The Stamp 32 closes the flow opening 36 by its shape and by a contact force resulting from the forward movement of the punch 32 and a spring force of the springs 34 , This leads to a compression of the liquid molten metal 14 in the piston chamber 26 , This will be a drop 30 the molten metal melt 14 from the outlet 18 pushed out. The stamp moves 32 together with the piston 20 against one of the springs 34 caused spring force and compresses the springs 34 ,

In 2 ist ein Druckkopf 10 gemäß der Erfindung in einer Schnittdarstellung während einer Rückwärtsbewegung des Stempels 32 und des Kolbens 20 gezeigt. Die gezeigten Elemente entsprechen grundsätzlich denen in 1 mit dem Unterschied, dass hier eine Bewegung des Stempels 32 und des Kolbens 34 in Richtung einer Oberseite des Schmelztiegels 12 bzw. in Rückwärtsrichtung dargestellt ist. Hierbei bewegt sich der Stempel 32 mit einer größeren oder höheren Geschwindigkeit seiner Rückwärtsbewegung von der Austrittsöffnung 18 weg als eine Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung des Kolbens 20. Mit anderen Worten drücken die Federn 34 den Kolben 20 in einer Rückwärtsrichtung nach oben zurück. Die Rückwärtsbewegung des Stempels 32 wird vom Aktor 40 erzeugt. Dies bedeutet, dass der Aktor 40 vorzugsweise eine schnelle Umkehr der Bewegungsrichtung des Stempels 32 ausführen sollte, um eine höhere Geschwindigkeit der Bewegung in Rückwärtsrichtung als die Bewegung des Kolbens 20 zu erreichen.In 2 is a printhead 10 according to the invention in a sectional view during a backward movement of the punch 32 and the piston 20 shown. The elements shown correspond in principle to those in 1 with the difference that here is a movement of the stamp 32 and the piston 34 towards a top of the crucible 12 or in the reverse direction is shown. This moves the stamp 32 at a higher or higher speed of its backward movement from the exit port 18 away as a speed of backward movement of the piston 20 , In other words, the springs are pressing 34 the piston 20 back up in a reverse direction. The backward movement of the stamp 32 is from the actor 40 generated. This means that the actor 40 preferably a quick reversal of the direction of movement of the punch 32 should run to a higher speed of movement in the reverse direction than the movement of the piston 20 to reach.

Durch das schnellere Wegbewegen des Stempels 32 entsteht ein Durchflussspalt 42 (hier als Bereich mit gestrichelter Linie dargestellt) zwischen dem unteren Ende 38 des Stempels 32 und der Durchflussöffnung 36, durch den flüssige Metallschmelze 14 aus dem Schmelzraum 28 in den Kolbenraum 26 einfließen kann. Als Vorteil kann hier gesehen werden, dass mit einer entsprechenden Ausgestaltung des Durchflussspaltes 42 ein vergleichsweise großer räumlicher Bereich entsteht, durch den flüssige Metallschmelze 14 effektiv und möglichst schnell in den Kolbenraum gelangen kann und auf diese Weise ein schneller Ausgleich der durch den Ausstoß des Tropfens verloren gegangenen flüssigen Metallschmelze 14 erreicht werden kann. Gemäß einem Beispiel kann ein ausgestoßener Tropfen etwa einen Durchmesser vom Doppelten des Durchmessers der Austrittsöffnung 18 aufweisen.By moving the stamp faster 32 creates a flow gap 42 (shown here as a dashed line area) between the lower end 38 of the stamp 32 and the flow opening 36 , through the liquid molten metal 14 from the melting room 28 in the piston chamber 26 can flow into it. An advantage can be seen here that with a corresponding configuration of the flow gap 42 a comparatively large spatial area is created by the liquid molten metal 14 effectively and as quickly as possible can get into the piston chamber and in this way a faster compensation of lost by the ejection of the drop liquid molten metal 14 can be reached. In one example, an ejected drop may be about a diameter double the diameter of the exit orifice 18 respectively.

Ein Anschlag 44, der an der Innenwandung 22 des Schmelztiegel 12 angeordnet ist, begrenzt die Rückwärtsbewegung des Kolbens 42 in Richtung des Aktors 40. Hierdurch kann vorteilhaft verhindert werden, dass der Kolben 20 bei noch wirkender Federkraft der Federn 34 zu weit in Rückwärtsrichtung bewegt wird und gegebenenfalls aus der Metallschmelze 14 herausbewegt wird. Die Federn 34 sind hier als Schraubenfedern ausgeführt. In einem Beispiel sind die Federn 34 als Tellerfedern ausgeführt, wobei sowohl eine einzige Tellerfeder als auch mehrere Tellerfedern möglich sind. Durch den sich ergebenden Durchflussspalt 42 können auch Gasblasen, die beispielsweise durch das Einsaugen von Luft durch die Austrittsöffnung 18 oder durch Kavitation entstanden sind, nach oben entweichen.An attack 44 standing on the inner wall 22 of the crucible 12 is arranged, limits the backward movement of the piston 42 in the direction of the actuator 40 , This can be advantageously prevented that the piston 20 at still acting spring force of the springs 34 is moved too far in the reverse direction and optionally from the molten metal 14 is moved out. The feathers 34 are designed here as coil springs. In one example, the springs are 34 designed as disc springs, with both a single plate spring and a plurality of disc springs are possible. Due to the resulting flow gap 42 can also gas bubbles, for example, by the suction of air through the outlet opening 18 or caused by cavitation, escape upwards.

In 3 ist eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Druckkopfes 10 gezeigt, bei denen die dargestellten Elemente in ihrer Funktion und Anordnung grundsätzlich den Elementen in den 1 und 2 entsprechen. Insbesondere soll hier eine veränderte Anordnung der Federn 34 gezeigt werden, die zwischen dem Kolben 20 und der Innenwandung 22 des Schmelztiegels 14 oberhalb des Kolbens 20 angeordnet ist. Dabei befindet sich ein für die Kontraktion und Expansion relevanter Bereich der Feder 34 außerhalb der flüssigen Metallschmelze 14. Dies hat den Vorteil, dass sich die Feder 34 zumindest in funktionswesentlichen Teilbereichen nicht mehr in der heißen Metallschmelze 14 befindet und dadurch eine Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Feder 34 erhöht werden kann. Um eine mechanische Anbindung an den in der flüssigen Metallschmelze 14 befindlichen Kolben 20 zu erreichen, kann beispielsweise ein Verlängerungselement 46 verwendet werden.In 3 is an embodiment of a printhead according to the invention 10 shown, in which the elements shown in principle in their function and arrangement the elements in the 1 and 2 correspond. In particular, here is a modified arrangement of the springs 34 shown between the piston 20 and the inner wall 22 of the crucible 14 above the piston 20 is arranged. There is a relevant for the contraction and expansion area of the spring 34 outside the liquid molten metal 14 , This has the advantage that the spring 34 at least in essential functional areas no longer in the hot molten metal 14 and thereby a reliability and life of the spring 34 can be increased. To provide a mechanical connection to the molten metal in the molten metal 14 located piston 20 can reach, for example, an extension element 46 be used.

In 4 ist ein Verfahren zum Erzeugen eines metallischen Tropfens 30 aus einer flüssigen Metallschmelze 14 in einem erfindungsgemäßen Druckkopf 10 gezeigt. Ein erster Schritt beinhaltet ein Hineinbewegen 110 eines Stempels 32 in einen Schmelztiegel 12 mit flüssiger Metallschmelze 14, wobei der Stempel 32 eine Durchflussöffnung 36 eines Kolbens 20 im Schmelztiegel 12 dichtend verschließt und den Kolben 20 in Richtung einer Austrittsöffnung 18 verschiebt. Hierdurch wird der Ausstoß eines Tropfens 30 flüssigen Metalls 14 ausgelöst. In einem folgenden Schritt erfolgt ein Herausbewegen 120 des Stempels 32 aus dem Schmelztiegel 12 mit einer Rückwärtsbewegung, wobei eine Feder 32 gleichzeitig den Kolben 20 mit einer Rückwärtsbewegung von der Austrittsöffnung 18 wegbewegt. Dabei bewegt sich der Stempel 32 mit einer größeren Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung als eine Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung des Kolbens 20. Hierdurch ergibt sich ein Durchflussspalt 42 in der Durchflussöffnung 36 des Kolbens 20, durch den flüssige Metallschmelze 14 aus einem Schmelzraum 28 oberhalb des Kolbens 20 in einen Kolbenraum 26 einfließt.In 4 is a method of producing a metallic drop 30 from a liquid molten metal 14 in a printhead according to the invention 10 shown. A first step involves moving in 110 a stamp 32 in a crucible 12 with liquid molten metal 14 , where the stamp 32 a flow opening 36 a piston 20 in the crucible 12 sealingly closes and the piston 20 in the direction of an outlet opening 18 shifts. This will cause the ejection of a drop 30 liquid metal 14 triggered. In a following step, a move out 120 of the stamp 32 from the crucible 12 with a backward motion, being a spring 32 at the same time the piston 20 with a backward movement from the exit opening 18 moved away. The stamp moves 32 with a greater speed of backward motion than a speed of backward movement of the piston 20 , This results in a flow gap 42 in the flow opening 36 of the piston 20 , through the liquid molten metal 14 from a melting room 28 above the piston 20 in a piston chamber 26 flows.

Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassend“, „aufweisen“, etc. das Vorhandensein weiterer Elemente nicht ausschließen. Der Begriff „ein“ schließt auch das Vorhandensein einer Mehrzahl von Gegenständen nicht aus. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich der Ansprüche in keiner Weise beschränken.Finally, it should be noted that the terms "comprising", "having", etc., do not exclude the presence of other elements. The term "a" does not exclude the presence of a plurality of objects. The reference numerals in the claims are merely for ease of reading and are not intended to limit the scope of the claims in any way.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Han-song Zuo, He-jun Li, Le-jua Qi, Jun Luo, Song-yi Zhong, Hai-peng Li, „Effect on wetting behavior on generation of uniform aluminum droplets obtained by pneumatic drop-on-demand technique“, Journal of Materials Processing Technology 214, 2566-2575 (2014) [0004]Han-song Zuo, He-jun Li, Le-juaqi, Jun Luo, Song-yi Zhong, Hai-peng Li, "Effect on wetting behavior on the basis of pneumatic drop-on-demand technique", Journal of Materials Processing Technology 214, 2566-2575 (2014) [0004]

Claims (12)

Druckkopf (10) für einen 3D-Drucker für Metalle, aufweisend - einen Schmelztiegel (12) zur Aufnahme einer flüssigen Metallschmelze (14) mit einer an einem unteren Ende des Schmelztiegels (12) angeordneten Austrittsöffnung (18); - einen Kolben (20), der im Schmelztiegel in der Metallschmelze (14) angeordnet ist und weiterhin in einer Längsrichtung des Schmelztiegels (12) verschiebbar ausgestaltet ist; wobei der Schmelztiegel (12) auf einer Oberseite des Kolbens (20) einen Schmelzraum (28) bildet und im Bereich zwischen dem Kolben (20) und der Austrittsöffnung (18) einen Kolbenraum (26) bildet; - einen Stempel (32), der in Längsrichtung des Schmelztiegels (12) bewegbar von einer Oberseite des Schmelztiegels (12) in die Metallschmelze (14) hineinragt; - eine Feder (34), die im Schmelztiegel (12) angeordnet ist und deren Federkraft den Kolben (20) von der Austrittsöffnung (18) wegbewegt; dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (20) eine in Bewegungsrichtung verlaufende durchgängige Durchflussöffnung (36) aufweist; wobei der Stempel (32) in seiner Querschnittsform und Durchmesser so ausgestaltet ist, dass er bei einer Vorwärtsbewegung des Stempels (32) in den Schmelzraum (28) in Richtung der Austrittsöffnung (18) den Kolben (20) in einer Vorwärtsbewegung in Richtung der Austrittsöffnung (18) verschiebt und dabei die Durchflussöffnung (36) dichtend verschließt, sodass durch eine dadurch bedingte Kompression im Kolbenraum (26) ein Tropfen (30) des flüssigen Metalls (14) aus der Austrittsöffnung (18) ausgestoßen wird; wobei die Feder (34) so ausgeführt ist, dass bei einer Rückwärtsbewegung des Stempels (32) weg von der Austrittsöffnung (18) eine Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung des Stempels (32) größer ist als eine Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung des Kolbens (20), sodass in der Durchflussöffnung (36) des Kolbens (20) ein Durchflussspalt (42) zwischen dem Stempel (32) und dem Kolben (20) entsteht, durch den flüssige Metallschmelze (14) aus dem Schmelzraum (28) in den Kolbenraum (26) einfließt.A printing head (10) for a 3D printer for metals, comprising - a crucible (12) for receiving a liquid molten metal (14) having an exit port (18) located at a lower end of the crucible (12); - A piston (20) which is arranged in the crucible in the molten metal (14) and further in a longitudinal direction of the crucible (12) is designed to be displaceable; wherein the crucible (12) forms a melting space (28) on an upper side of the piston (20) and forms a piston space (26) in the area between the piston (20) and the outlet opening (18); - A punch (32) which projects in the longitudinal direction of the crucible (12) movable from an upper side of the crucible (12) into the molten metal (14); - A spring (34) which is arranged in the crucible (12) and whose spring force moves the piston (20) from the outlet opening (18); characterized in that the piston (20) has a continuous flow opening (36) extending in the direction of movement; wherein the punch (32) is configured in its cross-sectional shape and diameter so that upon a forward movement of the punch (32) into the melting space (28) in the direction of the outlet opening (18) the piston (20) in a forward movement in the direction of the outlet opening (18) displaces while sealingly closes the flow opening (36), so that a drop (30) of the liquid metal (14) is ejected from the outlet opening (18) by a consequent compression in the piston chamber (26); wherein the spring (34) is configured such that upon a backward movement of the punch (32) away from the exit port (18), a speed of the backward movement of the punch (32) is greater than a speed of the rearward movement of the piston (20), such that the through-flow opening (36) of the piston (20) forms a flow gap (42) between the ram (32) and the piston (20) through which liquid molten metal (14) flows from the melting chamber (28) into the piston chamber (26). Druckkopf (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Stempel (32) mittels eines Piezo-Aktors (40) bewegt wird.Printhead (10) according to Claim 1 , wherein the punch (32) by means of a piezo-actuator (40) is moved. Druckkopf (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder (34) so ausgestaltet ist, dass bei der Vorwärtsbewegung des Stempels (32) ein Druck des Kolbens (20) in Rückwärtsrichtung zum dichtenden Verschließen der Durchflussöffnung (36) erzeugt wird.A printhead (10) as claimed in any one of the preceding claims, wherein the spring (34) is configured so that upon advancement of the plunger (32) a pressure of the plunger (20) is created in the reverse direction for sealing the flow opening (36). Druckkopf (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Schmelzraum (28) ein mechanischer Anschlag (44) zur Begrenzung der Rückwärtsbewegung des Kolbens (20) vorgesehen ist.Printhead (10) according to one of the preceding claims, wherein a mechanical stop (44) for limiting the backward movement of the piston (20) is provided on the melting chamber (28). Druckkopf (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder (34) im Kolbenraum (26) zwischen Kolben (20) und einer Wandung des Kolbenraumes (26) angeordnet ist.Printhead (10) according to one of the preceding claims, wherein the spring (34) in the piston chamber (26) between the piston (20) and a wall of the piston chamber (26) is arranged. Druckkopf (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder (34) als Tellerfeder oder Schraubenfeder ausgeführt ist.Printhead (10) according to one of the preceding claims, wherein the spring (34) is designed as a plate spring or coil spring. Druckkopf (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder (34) als Zugfeder ausgeführt ist und zwischen dem Kolben (20) und einer Innenwandung (22) des Schmelztiegels (12) oberhalb des Kolbens (20) angeordnet ist.Printhead (10) according to one of the preceding claims, wherein the spring (34) is designed as a tension spring and between the piston (20) and an inner wall (22) of the crucible (12) above the piston (20) is arranged. Druckkopf (10) gemäß Anspruch 6, wobei zumindest ein Teilbereich der Feder (34) im außerhalb der flüssigen Metallschmelze (14) angeordnet ist.Printhead (10) according to Claim 6 , Wherein at least a portion of the spring (34) in the outside of the molten metal melt (14) is arranged. Druckkopf (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Druck der flüssigen Metallschmelze (14) im Schmelzraum (28) während der Rückwärtsbewegung gegenüber einem Druck im Kolbenraum (26) erhöht ist.A printhead (10) according to any one of the preceding claims, wherein a pressure of the liquid molten metal (14) in the melt space (28) is increased during the backward movement against a pressure in the piston space (26). Druckkopf (10) gemäß Anspruch 9, wobei die Druckerhöhung zumindest teilweise durch die Energie der Rückwärtsbewegung des Stempels (32) erzeugt wird.Printhead (10) according to Claim 9 wherein the pressure increase is generated at least in part by the energy of the backward movement of the punch (32). Druckkopf (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Rückwärtsbewegung des Stempels (32) mindestens doppelt so hoch ist wie eine Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung des Kolbens (20).A printhead (10) according to any one of the preceding claims, wherein a backward movement of the plunger (32) is at least twice as high as a speed of the backward movement of the plunger (20). Verfahren (100) zum Erzeugen eines metallischen Tropfens (30) aus einer flüssigen Metallschmelze (14) in einem Druckkopf, aufweisend die Schritte: - Hineinbewegen (110) eines Stempels (32) in ein einen Schmelztiegel (12) mit flüssiger Metallschmelze (14); wobei der Stempel (32) eine Durchflussöffnung (36) eines Kolbens (20) im Schmelztiegel (12) dichtend verschließt und den Kolben (20) in Richtung einer Austrittsöffnung (18) verschiebt und hierdurch den Ausstoß eines Tropfens (30) flüssigen Metalls (14) ausgelöst; - Herausbewegen (120) des Stempels (32) aus dem Schmelztiegel (12) mit einer Rückwärtsbewegung, wobei eine Feder (34) gleichzeitig den Kolben (20) mit einer Rückwärtsbewegung von der Austrittsöffnung (18) wegbewegt; wobei der Stempel (32) mit einer größeren Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung bewegt wird als die Geschwindigkeit der Rückwärtsbewegung des Kolbens (20), sodass ein Durchflussspalt (42) in der Durchflussöffnung (36) des Kolbens (20) entsteht, durch den flüssige Metallschmelze (14) aus dem Schmelzraum (28) in den Kolbenraum (26) einfließt.Method (100) for producing a metallic drop (30) from a liquid molten metal (14) in a printhead, comprising the steps of: - moving (110) a punch (32) into a melting pot (12) with liquid molten metal (14) ; wherein the plunger (32) sealingly closes a flow opening (36) of a piston (20) in the crucible (12) and displaces the piston (20) in the direction of an outlet opening (18) and thereby ejecting a drop (30) of liquid metal (14 ) triggered; - Moving (120) of the punch (32) from the crucible (12) with a backward movement, wherein a spring (34) simultaneously moves the piston (20) with a backward movement of the outlet opening (18); wherein the punch (32) is moved at a greater speed of the backward movement than the speed of the backward movement of the Piston (20), so that a flow gap (42) in the flow opening (36) of the piston (20) is formed, flows through the liquid molten metal (14) from the melting chamber (28) in the piston chamber (26).
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