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Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, der zum Drucken von Metallen geeignet ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben des Druckkopfs.
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Stand der Technik
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Ein 3D-Drucker für ein thermoplastisches Material erhält eine feste Phase dieses Materials als Ausgangsmaterial, erzeugt daraus eine flüssige Phase und bringt diese flüssige Phase selektiv an den Stellen, die zu dem zu erzeugenden Objekt gehören, auf. Ein solcher 3D-Drucker umfasst einen Druckkopf, in den das Ausgangsmaterial geschmolzen wird. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, vorgesehen. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.
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Der Druckkopf hat einen ersten Betriebszustand, in dem flüssiges Material aus ihm austritt, und einen zweiten Betriebszustand, in dem kein flüssiges Material aus ihm austritt. Der zweite Betriebszustand wird beispielsweise dann eingenommen, wenn eine andere Position auf der Arbeitsfläche angefahren werden und auf dem Weg dorthin kein Material deponiert werden soll. Zwischen den beiden Betriebszuständen des Druckkopfes kann beispielsweise umgeschaltet werden, indem der Vortrieb des festen Ausgangsmaterials ein- bzw. ausgeschaltet wird.
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Gegenüber thermoplastischen Kunststoffen haben Metalle einen wesentlich höheren Schmelzpunkt und zugleich im flüssigen Zustand eine wesentlich geringere Viskosität.
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Ein Forschungsansatz zur Lösung der Aufgabe, dem Objekt nur an definierten Stellen flüssiges Metall hinzuzufügen, ist die pneumatische Drop-on-Demand-Technik. Diese Technik wird beispielsweise in (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. Das metallische Ausgangsmaterial wird in einem Reservoir, das an seinem unteren Ende eine offene Düse aufweist, durch eine Induktionsheizung aufgeschmolzen. Um einen Tropfen flüssigen Metalls aus dieser Düse zu treiben, wird das Reservoir durch Zuführen eines Inertgases mit einem über ein Magnetventil erzeugten Druckpuls beaufschlagt.
Nachteilig an dieser Lösung ist die Tropfenbildung durch einen Druckimpuls auf das Gas, da die Kompressibilität des Gases nur bedingt eine hohe Taktfrequenz der Ansteuerung zulässt, wodurch die Aufbaurate eines Werkstücks für einen industriellen Einsatz nicht akzeptabel ist.
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Ein Ansatz ohne pneumatischer Drop-on-Demand Technik ist in der zum Zeitpunkt dieser Anmeldung noch nicht veröffentlichten Schrift
DE 102015218375 beschrieben.
Sie zeigt einen Druckkopf, umfassend ein Reservoir für ein Metall ohne Anwendung einer Gasatmosphäre, wobei dieser durch einen piezoelektrischen Aktor angesteuert wird. Das Metall wird induktiv erhitzt und geht kontinuierlich von der festen Phase in die flüssige Phase über.
Nachteilig an dieser Lösung ist die fehlende Trennung der festen von der flüssigen Phase des Metalls.
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Ferner wird bei Druckköpfen das flüssige Metall beispielsweise in einem keramischen, oder Keramik ähnlichen Tiegel erschmolzen. Von Nachteil ist die unterschiedliche thermisch Wärmeausdehnung von Tiegel und der metallischen Legierung, die im Tiegel erschmolzen wird. Das Tiegelmaterial hat in der Regel einen sehr kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gegenüber dem Metall im Tiegel.
Für den Fall, dass der Tiegel nicht entleert wird bevor die enthaltene Schmelze erstarrt, kommt es, insbesondere in einer Trennzone, zu Spannungen zwischen erstarrender Schmelze und dem Tiegel. Da die Erstarrung in der Regel von der Tiegelwandung ins Innere der Schmelze zustande kommt und die Schmelze an der Tiegelwandung „klebt“, führt dieser Vorgang dazu, Teile des Tiegelmaterials herauszureißen, bzw. abzuplatzen, wobei dies beispielsweise während des radial nach innen ausgerichteten Erstarrens geschieht.
Beim erneuten Schmelzen von dem an der Tiegelwandung anliegendem Metall, dehnt sich das Metall deutlich stärker aus als der Tiegel. Dadurch wird ein beispielsweise zylindrischer Tiegel unter Zugspannungen gesetzt und dieser könnte im schlimmsten Fall gesprengt werden. Keramisches Tiegelmaterial hat den Nachteil, dass es nur sehr kleine Zugspannungen ertragen kann und zusätzlich sehr spröde ist.
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Derzeit sind keine 3D-Metalldrucker bekannt, die industrieller Anforderungen genügen, wie beispielsweise
- • der Gewährleistung eines dauerhaften Betriebs,
- • der Reproduzierbarkeit der Tropfen, bzw. des Aufbaus des Bauteils,
- • der Energieeffizienz bezüglich der Erschmelzung und der Bauteilerstellung,
- • dem Einhalten von geringen Nebenzeiten z.B. zur Inbetriebnahme und beim Abschalten und
- • dem Austausch von Verschleißteilen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckkopf bereit zu stellen, der industriell einsetzbar ist, eine hohe Taktfrequenz und bei Unterbrechung des Druckvorgangs eine Trennung der festen von der flüssigen Phase des Metalls zulässt.
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Ferner ist die Aufgabe der Erfindung die Form eines Reservoirs des Druckkopfes derart zu optimieren, das Aufgrund der großen Relativbewegung zwischen Metall und Reservoirwandung beim Wechsel zwischen Schmelzen und dem Erstarren der Schmelze, die dadurch entstehenden Relativbewegungen möglichst gehemmt werden.
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Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Druckkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Druckkopfs gemäß Anspruch 12 erfüllt.
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Der erfindungsgemäße Druckkopf für einen 3D-Drucker, insbesondere Metalldrucker, umfasst ein Gehäuse, eine Vorrichtung zur Zuführung eines Metalls, einen Kolben, ein Reservoir mit einer Austrittsöffnung und eine Aktorvorrichtung zur Verschiebung des Kolbens, wobei das Reservoir einen Schmelzbereich und einen Verdrängerraum für eine flüssige Phase des Metalls aufweist, wobei der Schmelzbereich an einer inerten Atmosphäre angrenzt und mit dem Verdrängerraum derart verbunden ist, dass durch die Verschiebung des Kolbens die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregbar ist. Erfindungsgemäß ist das Reservoir als ein Schmelztiegel ausgebildet und der Schmelztiegel weist einen sphärischen Bereich auf einer Innenseite des Schmelztiegels auf.
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Durch die erfindungsgemäße Form des Schmelztiegels wird eine Relativbewegung zwischen dem Inhalt des Tiegels, welcher erstarrt oder sich gerade vor dem Schmelzen ausdehnt, in vorteilhafter Weise erleichtert.
Beim Erschmelzen von an der Tiegelwandung anliegendem festen Metall kann durch die Erfindung eine Relativbewegung, welche durch eine Ausdehnung des noch festen Metalls resultiert, erleichtert werden. Dadurch können tangentiale Zugspannungen in der Tiegelwandung reduziert werden, insbesondere durch die sphärische Tiegelform. Ein ähnlicher Effekt stellt sich auch beim Wasser Gefrierprozess in einer Wasserschale dar.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung ist, dass radiale Zugspannungen im Tiegel kleingehalten oder verhindert werden. Diese Zugspannungen führen oft zu Abplatzungen an der Tiegel Innenseite. Beim Erstarren sollen anhaftende Bereiche der erstarrten Schmelze durch eine Schubspannung zwischen anhaftendem Metall und Tiegel die Möglichkeit bekommen, sich kontrolliert abzulösen. Durch eine sphärische Kontur können hier Schubspannungen an der Tiegelwandung entlang geleitet, bzw. übertragen werden. Diese Schubspannungen begünstigen den zerstörungsfreien Ablösevorgang der erstarrten Schmelze von der Tiegelwand.
Ein zylindrischer Tiegel kann im Gegensatz hierzu keine Schubspannungen vom Boden in die zylindrische Wandung übertragen. Hier würde beispielsweise das am zylindrischen Bereich anhaftende Material das am Boden anhaftende Material mittels Zugspannungen beim Schwindvorgang zum Abplatzen führen.
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Die Vorrichtung zur Zuführung des Metalls sorgt in vorteilhafter Weise für eine einfache Zuführung des Werkstoffs, wodurch bedarfsgerecht Werkstoff nachgeführt werden kann und der Druckkopf dadurch beispielsweise industriell einsetzbar ist. Zudem kann beispielsweise nach Leerung des Reservoirs ein anderer geeigneter Werkstoff zugeführt werden.
Der Schmelzbereich grenzt in vorteilhafter Weise an eine inerte Atmosphäre an. Dadurch wird sichergestellt, dass der Druck auf der Schmelze nahezu konstant ist, so dass dieser keine Auswirkung auf die Druckqualität hat. Ferner sorgt die inerte Atmosphäre dafür, dass keine ungewünschte chemische Reaktion im Reservoir stattfindet. Beispielsweise kann die inerte Atmosphäre aus Stickstoff oder einem anderen Inertgas gebildet sein.
Das Reservoir weist in vorteilhafter Weise den Schmelzbereich zum Schmelzen des Metalls, wobei dieser an der inerten Atmosphäre angrenzt und zusätzlich den Verdrängerraum auf. Dadurch ist es möglich den Schmelzvorgang räumlich von dem Verdränger-, bzw. Druckvorgang zu trennen, wodurch die Reproduzierbarkeit der Tropfen, bzw. eines Bauteils verbessert wird. Dabei ist in vorteilhafter Weise die im Verdrängerraum vorhandene flüssige Phase des Metalls durch die Verschiebung des Kolbens zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregbar. Der Kolben liegt dabei vorteilhaft direkt auf der Schmelze auf, wodurch die Genauigkeit des Druckens weiter zunimmt, da die Schmelze nahezu inkompressibel ist. Die Schmelze, bzw. flüssige Phase des Metalls gelangt entweder über Schweredruck oder über eine Kombination des Schweredrucks und des Atmosphärendrucks des Inertgases vom Schmelzbereich in den Verdrängerraum. Die Austrittsöffnung entspricht einer Düse und ist je nach Aufbau des Reservoirs austauschbar.
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In einer Weiterbildung ist die Aktorvorrichtung ein piezoelektrischer Aktor.
Ein solcher Aktor reagiert sehr schnell auf eine elektrische Ansteuerung mit einer Längenänderung. Dabei kann er eine große Kraft von bis zu mehreren 100 Newton ausüben. Der maximale Hub liegt typischerweise in der Größenordnung von 50-80 µm. Ein Aktuierungskonzept mittels piezoelektrischem Aktor ermöglicht in vorteilhafter Weise eine sehr genaue Reproduzierbarkeit der Tropfen. Zudem ist die Größe der Tropfen bei einem gleichbleibenden Düsendurchmesser flexibel regelbar. Mit dem piezoelektrischen Aktor sind sehr hohe Frequenzen (von bis beispielsweise 1000Hz), wodurch eine sehr hohe Aufbaurate der gewünschten 3D Struktur möglich ist. Zudem ist eine Automatisierbarkeit des ganzen Aufbaus gegeben.
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In einer Weiterbildung ist der Kolben mehrteilig ausgebildet, wobei er zumindest eine Kolbenstange aus einem metallischen Werkstoff und einen Stempel aus Keramik umfasst.
Die mehrteilige Ausführung des Kolbens ermöglicht es in vorteilhafter Weise auf die unterschiedlichen Temperaturzonen im Druckkopf und den jeweiligen funktionellen Anforderungen zu entsprechen. Die Kolbenstande ist bevorzugt aus einem hochtemperaturbeständigen metallischen Werkstoff gebildet und überträgt die Hubbewegungen der Aktorvorrichtung auf den Stempel. Dieser ist in vorteilhafter Weise aus einer Keramik gebildet, wobei diese vorzugsweise eine Schmelzen-Medienbeständige und Temperaturbeständige Keramik ist. Dieser konstruktive Aufbau des Kolbens ermöglicht ein geeignetes Temperaturmanagement und einen dauerhaften Betrieb des Druckkopfs. Der Materialeinsatz der Keramik für den Stempel erlaubt Druckmaterialien, die Schmelztemperaturen von bis über 1000°C aufweisen können.
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In einer Weiterbildung ist der Kolben ohne Aktuierung der Aktorvorrichtung durch eine Feder in eine Ausgangsstellung rückstellbar. Dabei ist die Feder in vorteilhafter Weise derart zwischen dem Gehäuse und dem Kolben angeordnet, dass der Kolben ohne Aktuierung der Aktorvorrichtung durch die Feder in die Ausgangsstellung rückstellbar ist.
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In einer Weiterbildung ist das Gehäuse mehrteilig ausgebildet, wobei es zumindest einen Kühlflansch, eine Isolierplatte und das Reservoir umfasst.
Das Gehäuse ist in vorteilhafter Weise mehrteilig ausgebildet, wodurch ein geeignetes Temperaturmanagement und durch den Einsatz von verschiedenen Materialien ein dauerhafter Betrieb gewährleistet ist. Durch die mehrteilige Ausführung ist zudem ein modularer Aufbau gegeben, der einen bedarfsgerechten Austausch der Komponenten erlaubt. Zusätzlich ist der Druckkopf durch das mehrteilige Gehäuse derart ausgeführt, dass die unterschiedlichen Funktionen auch durch unterschiedliche Bauteile ausgeführt sind.
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In einer Weiterbildung weist der Kühlflansch eine Ausnehmung zur Aufnahme der Aktorvorrichtung und Kühlkanäle zur Kühlung des Kühlflanschs auf.
Die Kühlkanäle sorgen in vorteilhafter Weise für ein geeignetes Temperaturmanagement im Kühlflansch und im Gehäuse wodurch die Aktorvorrichtung einerseits vor der von der Schmelze ausgehenden Temperatur geschützt und andererseits durch Aufheizen im Betrieb des Aktors abgekühlt wird. Die Kühlung durch die Kühlkanäle sorgt so für eine geeignete Temperatur und einen dauerhaften Betrieb des Druckkopfs. Das Temperaturmanagement sorgt für einen reduzierten Energieeinsatz.
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In einer Weiterbildung ist der Kühlflansch in vorteilhafter Weise aus einem metallischen Werkstoff gebildet. Der metallische Werkstoff ist derart gewählt, dass er den mechanischen und thermischen Belastungen des Druckkopfs genügt.
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In einer Weiterbildung ist die Isolierplatte in vorteilhafter Weise aus einem wärmeisolierenden Material gebildet und derart ausgebildet ist, dass sie einen Wärmeübergang vom Reservoir zum Kühlflansch vermindert. Der Einsatz der Isolierplatte ermöglicht ein geeignetes Temperaturmanagement und einen dauerhaften Betrieb des Druckkopfs. Ferner reduziert die Isolation den Energieeinsatz und vereinfacht die Temperaturregelung des Druckkopfs. Die Isolierplatte ist beispielsweise aus einer Keramik mit geringer thermischer Wärmeleitfähigkeit gebildet, wie beispielsweise Zirkoniumoxid. Es sind auch poröse Keramiken oder beispielsweise Silikatkeramiken einsetzbar.
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In einer Weiterbildung ist das Reservoir als Schmelztiegel ausgebildet ist, wobei außerhalb des Schmelztiegels ein Induktor und innerhalb des Schmelztiegels ein Sensor, insbesondere ein Temperatursensor angeordnet sind.
Die vorteilhafte Anordnung des Induktors außerhalb des Schmelztiegels ermöglicht eine schnelle Inbetriebnahme des Druckkopfs und es sind
Temperaturen von bis über 1000°C möglich, wodurch viele Druckmaterialien zum Drucken verwendet werden können. Mit dem in vorteilhafter Weise innerhalb des Schmelztiegels angeordneten Temperatursensor ist der Induktor über ein Regel- und Steuersystem derart ansteuerbar, dass der Energieeinsatz über Temperaturregelung effizient ermöglicht wird. Die Temperatur der Schmelze kann so effizient und materialschonend in einem optimalen Bereich gehalten werden, wodurch ein dauerhafter Betrieb des Druckkopfs ermöglicht wird.
Der Temperatursensor ist derart im Schmelztiegel angeordnet, dass dieser die Temperatur der Schmelze erfassen kann. In einer bevorzugten Ausführung misst der Temperatursensor die Temperatur der Schmelze und zusätzlich die Temperatur der Gasatmosphäre, bzw. der inerten Gasatmosphäre, wobei der Temperatursensor mit einem oder mehreren Temperaturfühlern ausgebildet ist.
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In einer Weiterbildung ist die Austrittsöffnung des Reservoirs für den Ausstoß von Tropfen der flüssigen Phase des Metalls ausgebildet.
In vorteilhafter Weise ist die Austrittsöffnung in Form einer Düse ausgebildet, wodurch eine gewünschte Dosierung der flüssigen Phase des Metalls möglich ist. Die Austrittsöffnung kann fest in das Reservoir, bzw. den Schmelztiegel integriert sein, oder in vorteilhafter Weise in einem separaten Einsatz für den Schmelztiegel ausgebildet sein. Dadurch ist ein Austausch der Düse, beispielsweise bei verstopfter Öffnung, bzw. eine Anwendung unterschiedlicher Düsengeometrien für unterschiedliche Anwendungsfälle des Druckkopfs möglich.
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In einer Weiterbildung mündet die Vorrichtung zur Zuführung des Metalls in vorteilhafter Weise in das Reservoir und ist in dem Kühlflansch und der Isolierplatte angeordnet.
Dadurch ist eine einfach zu handhabende Materialzufuhr und eine flexible Materialwahl möglich, wodurch kein spezieller Draht oder spezielles Pulver notwendig sind. Ferner ist ein Wechsel der Legierung innerhalb eines Druckvorgangs möglich, wodurch ein fließender Übergang von einer Legierung in die andere ermöglicht wird. Zudem sind durch die vorteilhaft ausgeführte Materialzuführung kombinierte Werkstoffe möglich, beispielsweise mit Festkörperanteil wie kurze Carbon Fasern. Eine Automatisierbarkeit des Druckkopfs ist gegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Druckkopfs offenbart, dass das Metall durch die Vorrichtung zur Zuführung des Metalls in fester Phase durch die inerte Atmosphäre in den Schmelzbereich des Reservoirs zugeführt und in dem Schmelzbereich in die flüssige Phase des Metalls aufgeschmolzen wird, wobei die flüssige Phase des Metalls vom Schmelzbereich in den Verdrängerraum des Reservoirs geführt wird und durch einen Arbeitshub des Kolbens durch die Austrittsöffnung als Tropfen emittiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein maximaler Füllstand (44) der flüssigen Phase (8) des Metalls (14) nicht den sphärischen Bereich (40) des Schmelztiegels (7, 27) übersteigt.
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Dieser Ablauf ermöglicht es, den Schmelzvorgang räumlich von dem Verdrängervorgang, bzw. Druckvorgang zu trennen, wodurch die Reproduzierbarkeit der Tropfen, bzw. eines Bauteils verbessert wird. Dabei ist in vorteilhafter Weise die im Verdrängerraum vorhandene flüssige Phase des Metalls durch den Arbeitshub des Kolbens zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung angeregt, wobei der Kolben direkt auf der Schmelze aufliegt, wodurch die Genauigkeit des Druckens weiter zunimmt, da die Schmelze nahezu inkompressibel ist.
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Ferner ist es von Vorteil, dass das Niveau der Schmelze nicht über den sphärischen Bereich hinaus ansteigen darf, da dann der Effekt der Schubspannungsübertragung reduziert werden würde.
Ferner ist es von Vorteil, dass der Aktuierungsstempel beim Erstarrungs- oder Schmelzvorgang herausgezogen ist, da dadurch kein zentrales Objekt die Relativbewegung hemmt.
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Alternativ zum verbleiben des Materials im Tiegel kann hier mittels einer Entleerfunktion der Tiegel leer gefahren werden. Allerdings werden auch in diesem Zustand - nach dem Leerfahren - Schmelze- und Schlackereste im Tiegel verbleiben, welche an der Wandung haften bleiben und kritische Ablösezugspannungen zur Tiegelwandung verursachen können, wobei potenzielle Abplatzungen verursacht werden können. Das Wiedererschmelzen sollte hier allerdings deutlich unkritischer verlaufen, da das Spannungsniveau aufgrund der dünnen Schlackenwandung kein hohes Potenzial erreichen kann.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird der Arbeitshub des Kolbens in vorteilhafter Weise durch eine Aktuierung des piezoelektrischen Aktors erzeugt und ein Rückhub in eine Ausgangsstellung des Kolbens ohne Aktuierung des piezoelektrischen Aktors wird durch die Feder erzeugt.
Der Arbeitshub des Kolbens durch den Aktor und der Rückhub des Kolbens in seine Ausgangsstellung durch die Feder ermöglichen eine reproduzierbare Taktung des Druckvorgangs mit gleichen Hüben, die jeweils eine gleiche Menge Material in Tropfenform aus der Austrittsöffnung emittieren, so dass reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand von der Figur näher dargestellt.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckkopfes und
- 2 Eine Detailansicht des Reservoirs.
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Ausführungsbeispiel
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckkopfs 1 für einen 3D-Drucker, insbesondere Metalldrucker.
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Der Druckkopf 1 umfasst ein Gehäuse 3, eine Vorrichtung 28 zur Zuführung eines Metalls 14 in fester Phase, einen Kolben 5, ein Reservoir 7, 27 mit einer Austrittsöffnung 10 und eine Aktorvorrichtung 12 zur Verschiebung des Kolbens. Das Reservoir 7, 27 weist einen Schmelzbereich 20 und einen Verdrängerraum 21 für eine flüssige Phase 8 des Metalls 14 auf, wobei der Schmelzbereich 20 an einer inerten Atmosphäre 22 angrenzt und mit dem Verdrängerraum 21 derart verbunden ist, dass durch die Verschiebung des Kolbens 5 die flüssige Phase 8 des Metalls 14 zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung 10 anregbar ist. Die flüssige Phase 8 des Metalls 14 wird auch als Schmelze 8 bezeichnet und die inerte Atmosphäre 22 ist durch Einleitung eines Inertgases 22 in das Reservoir 7, 27 gebildet. Die Einleitung des Inertgases 22 findet bevorzugt über einen kalten Bereich des Druckkopfes 1 in das Reservoir 7, 27 statt.
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Das Gehäuse 3 ist mehrteilig ausgebildet, wobei es zumindest einen Kühlflansch 25, eine Isolierplatte 26 und das Reservoir 7, 27 umfasst.
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Der Kolben 5 ist mehrteilig ausgebildet, wobei er zumindest eine Kolbenstange 17 aus einem metallischen Werkstoff und einen Stempel 18 aus Keramik umfasst. Die Kolbenstange 17 ragt ausgehend von der Aktorvorrichtung 12 durch den Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 bis in das Reservoir 7, 27 hinein, wo sie in den Stempel 18 übergeht.
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Der Kühlflansch 25 weist eine Ausnehmung 30 zur Aufnahme der Aktorvorrichtung 12, die als piezoelektrischer Aktor 12 ausgebildet ist, auf. Der piezoelektrische Aktor 12 ist während des Betriebs in der Ausnehmung 30 derart fixiert, dass er bei Anliegen einer Spannung einen Arbeitshub auf den Kolben 5, speziell auf die Kolbenstange 17 des Kolbens, ausübt. Die Kolbenstange 17 überträgt den Arbeitshub auf den Stempel 18, so dass dieser die flüssige Phase 8 des Metalls 14 zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung 10 anregt. Der Kolben 5 ist ohne Aktuierung des Aktors 12 durch eine Feder 13 in eine Ausgangsstellung rückstellbar, wobei die Feder 13 in der Ausnehmung 30 des Kühlflanschs 25 zwischen einem Absatz 24 und dem Aktor 12 angeordnet ist. Die Feder 13 ist als Tellerfeder ausgebildet.
Ferner weist der Kühlflansch 25 Kühlkanäle 31 zur Kühlung auf. Die Kühlkanäle 31 sind zwischen dem Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 angeordnet und werden mit einem Kühlmedium durchspült. Dies dient als Kühlung gegenüber der Erwärmung durch die Schmelze 8 und zum Kühlen des Aktors 12 im Betrieb. Der Kühlflansch 25 ist aus einem metallischen Werkstoff gebildet.
Die an dem Kühlflansch 25 auf Seiten der Kühlkanäle 31 anliegende Isolierplatte 26 ist aus einem wärmeisolierenden Material gebildet und derart ausgebildet, dass sie einen Wärmeübergang vom Reservoir 7, 27 zum Kühlflansch 25 vermindert.
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Die Vorrichtung 28 zur Zuführung des Metalls 14 mündet in das Reservoir 7, 27 und ist in dem Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 angeordnet. Die Vorrichtung 28 ragt durch den Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 hindurch und das Metall 14, bzw. das zu druckende Material 14 ist von außen durch die Vorrichtung 28 zuführbar. Bevorzugt können vordosierte Materialstücke, bzw. Pellets verwendet werden. Am Übergang der Isolierplatte 26 zum Reservoir 7, 27 befindet sich eine Öffnung 29 durch die das Material 14 in das Reservoir 7, 27 gelangt. Die Öffnung 29 ist durch eine Vorrichtung 32 verschließbar, so dass diese bevorzugt nur bei Zuführung des Materials 14 geöffnet ist, wodurch das Entweichen von Energie, bzw. Gas aus der inerten Atmosphäre 22 verringert wird.
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Das Reservoir 7, 27 ist als Schmelztiegel 27 ausgebildet, wobei außerhalb des Schmelztiegels 27 ein Induktor 35 und innerhalb des Schmelztiegels ein Sensor 36, insbesondere ein Temperatursensor, angeordnet sind. Zwischen dem Schmelztiegel 27 und dem Induktor 35, bzw. der Induktor Spule 35 kann sich optional noch ein nicht dargestellter Isolator befinden.
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Das Metall 14 gelangt in einer festen Phase 14 in den Schmelzbereich 20 des Schmelztiegels und wird durch den Induktor 35 erhitzt, bis es in eine flüssige Phase 8 übergeht. Bei Erreichen einer gewünschten Prozesstemperatur der Schmelze 8, die durch den Temperatursensor 36 ermittelt wird, kann der Druckkopf 1 den Betrieb aufnehmen. Die flüssige Phase 8, bzw. die Schmelze 8 gelangt durch Schweredruck der Schmelze 8 oder durch eine Kombination aus Schweredruck und Atmosphärendruck des Inertgases 22 am Stempel 18 vorbei in den Verdrängerraum 21. Der Stempel 18 des Kolbens 5 ist mit einer Druckseite 19 in der Schmelze 8, bzw. von Schmelze 8 umgeben und an der Verbindungsseite zur Kolbenstange 17 in der inerten Atmosphäre 22, bzw. von der inerten Atmosphäre 22 umgeben. Die Kolbenstange 17 kommt prozessbedingt nicht mit der Schmelze 8 in Berührung.
Die Keramik des Stempels 18 ist vorteilhafterweise sehr gut temperaturleitend, um die durch den Induktor 35 erzeugte Wärme gut in den Verdrängerraum 21 übertragen zu können.
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Bei Aktuierung des piezoelektrischen Aktors 12 übt die Druckseite 19 des Stempels 18 einen Druck auf die Schmelze 8 im Verdrängerraum 21 in Richtung der Austrittsöffnung 10 aus und sorgt für einen Ausstoß eines Tropfens 15 durch die Austrittsöffnung 10 des Reservoirs 7, 27, bzw. des Verdrängerraums 21. Die Austrittsöffnung 10 ist für den Ausstoß von Tropfen 15 der flüssigen Phase 8 des Metalls 14 ausgebildet, wobei die Austrittsöffnung 10 die Form einer Düse 10 aufweist und fest mit dem Schmelztiegel 27 verbunden sein kann, oder wie in dem Ausführungsbeispiel gezeigt, einen wechselbaren Einsatz 11 aufweist, der den Einsatz von unterschiedlichen Düsengeometrien erlaubt.
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2 zeigt eine Detailansicht des Reservoirs 27, wobei das Reservoir 27 als ein Schmelztiegel 27 ausgebildet ist und der Schmelztiegel 27 einen sphärischen Bereich 40 auf einer Innenseite 41 des Schmelztiegels 27 aufweist.
Es sind abgelöste Bereiche 45 der erstarrten Schmelze 8 gezeigt, wobei diese radiale Zugspannungen 46 auf den Schmelztiegel 27 ausüben können.
Ferner ist ein maximaler Füllstand 44 der flüssigen Phase 8, bzw. der Schmelze des Metalls 14 gezeigt, wobei dieser nicht den sphärischen Bereich 40 des Schmelztiegels 7, 27 übersteigen darf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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