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. 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).
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
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
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.
-
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
Der Ringspalt
Im Kolbenraum
In
Durch das schnellere Wegbewegen des Stempels
Ein Anschlag
In
In
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]
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Cited By (2)
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CN111745142A (en) * | 2020-06-11 | 2020-10-09 | 张亮 | Automatic feeding type soup container for die-casting soup feeder |
US20210039313A1 (en) * | 2018-01-26 | 2021-02-11 | Graf S.P.A. | Head for the three-dimensional printing of molten metal |
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2018
- 2018-01-09 DE DE102018200227.4A patent/DE102018200227A1/en not_active Withdrawn
Non-Patent Citations (1)
Title |
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CN111745142B (en) * | 2020-06-11 | 2022-04-15 | 佛山市南海区合亿金属制品有限公司 | Automatic feeding type soup container for die-casting soup feeder |
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