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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze.
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Die generative Fertigung umfasst insbesondere 3D-Druckverfahren, bei denen flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut werden. Flüssige Werkstoffe werden in Form einzelner Tropfen auf einen Werkstückträger aufgebracht. Feste Werkstoffe, zum Beispiel in Form von Pulvern, werden lokal aufgeschmolzen. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer 3D-Druckvorrichtung, die ausschließlich flüssige Werkstoffe einsetzt.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2015 206 813 A1 geht beispielhaft eine Vorrichtung zum Auftragen eines Fluids auf einen Werkstückträger zum Erzeugen eines Werkstücks hervor, die ein Reservoir zur Aufnahme des Fluids sowie eine Auslasseinrichtung zum Ausgeben des Fluids aufweist. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Aktoreinrichtung, mittels welcher ein Volumen des Reservoirs zur Erzeugung einer Druckwelle verkleinerbar ist. Die Druckwelle bewirkt, dass zumindest ein Teil des im Reservoir aufgenommenen Fluids über die Auslasseinrichtung ausgegeben und auf den Werkstückträger aufgetragen wird. Die Aktoreinrichtung weist hierzu eine Membran auf, die in einer oder als eine Außenwand des Reservoirs ausgebildet und elastisch verformbar ist. Ferner umfasst die Aktoreinrichtung einen beweglichen Kolben, mittels dessen die elastische Verformung der Membran bei Betätigung eines Wirbelstromaktors bzw. eines Magnetaktors bewirkbar ist.
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Um den Wirkungsgrad einer solchen Vorrichtung zu steigern, wird häufig eine Erhöhung der Tropfenfrequenz gefordert. Das heißt, dass die zur Tropfenbildung erforderlichen Druckwellen bzw. Druckpulse in kürzeren zeitlichen Abständen erzeugt werden müssen. Dabei kann es in der Auslasseinrichtung zu Kavitationsgebieten und/oder zu einer Strömungsablösung kommen, welche die Tropfenbildung beeinträchtigen bzw. beeinträchtigt. Insbesondere kann sich vorzeitig ein Tropfen ablösen, dessen Durchmesser zudem kleiner als der Durchmesser der Austrittsöffnung ist, so dass der Tropfen exzentrisch austritt und beim Austreten abgelenkt wird. Dies gilt es zu verhindern.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze, anzugeben, die eine präzise Tropfenbildung selbst bei hoher Tropfenfrequenz ermöglicht.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze, umfasst einen die Metallschmelze aufnehmenden Kompressionsraum, der durch einen hin- und herbeweglichen Kolben und durch einen Düsenkörper mit einer Düsenbohrung zur topfenförmigen Abgabe der Metallschmelze begrenzt wird. Der Düsenkörper ist dabei zumindest im Bereich der Düsenbohrung aus einem aluphilen Werkstoff gefertigt oder weist eine Beschichtung mit einem aluphilen Werkstoff auf.
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„Aluphil“ bedeutet, dass der Kontaktwinkel zwischen der Metallschmelze und der aus dem aluphilen Werkstoff ausgebildeten Oberfläche vergleichsweise klein ist. Dadurch wird die Benetzung der Oberfläche mit der Metallschmelze verbessert. Dies weist den Vorteil auf, dass die Tropfenablösung erst am Ende der Düsenbohrung und nicht bereits innerhalb der Düsenbohrung erfolgt. Einem vorzeitigen Ablösen von Tropfen kann somit entgegengewirkt werden. Ferner ist sichergestellt, dass nach der Erzeugung eines Tropfens die Düsenbohrung mit Metallschmelze gefüllt bleibt, so dass hieraus gleich der nächste Tropfen gebildet werden kann. Der Prozess kann somit hochdynamisch gestaltet werden, insbesondere kann die Tropfenfrequenz erhöht werden. Beispielsweise kann eine Tropfenfrequenz von 500 bis 1000 Hz realisiert werden, ohne dass es zu den eingangs genannten Nachteilen kommt.
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Bei einer Düsenbohrung, die keine aluphile Oberfläche aufweist, neigt die aluminiumhaltige Metallschmelze aufgrund ihrer hohen Oberflächenspannung dazu, sich nach jedem Druckpuls zur Erzeugung eines Tropfens aus der Düsenbohrung zurückzuziehen. Die Düsenbohrung muss demnach erneut mit Metallschmelze gefüllt werden, bevor ein weiterer Tropfen erzeugt werden kann. Hohe Tropfenfrequenzen können auf diese Weise nicht erzielt werden. Zudem besteht die Gefahr, dass Kavitationsgebiete entstehen und/oder es zu einer Strömungsablösung und den damit verbundenen Nachteilen kommt. Insbesondere kann sich innerhalb der Düsenbohrung ein kleinerer Tropfen ablösen und exzentrisch aus der Düsenbohrung austreten, wobei der Tropfen - aufgrund der einseitig höheren Wandreibung - abgelenkt wird.
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Mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorrichtung, die im Bereich der Düsenbohrung einen aluphilen Werkstoff aufweist, können diese Nachteile vermieden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der aluphile Werkstoff Siliziumnitrid. Siliziumnitrid weist für den vorgesehenen Einsatzbereich in Bezug auf aluminiumhaltige Metallschmelzen optimale Eigenschaften auf. Insbesondere kann der Kontaktwinkel zwischen der aluminiumhaltigen Metallschmelze und der aus Siliziumnitrid bestehenden Oberfläche verringert werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Düsenkörper zumindest im Bereich einer an die Düsenbohrung angrenzenden Oberfläche, die auf der dem Kompressionsraum abgewandten Seite angeordnet ist, aus einem aluphoben Werkstoff gefertigt ist oder eine Beschichtung aus einem aluphoben Werkstoff aufweist. Der aluphobe Werkstoff unterstützt ein schnelles Ablösen der Tropfen am Ende der Düsenbohrung, so dass sichergestellt ist, dass die Tropfen nicht abgelenkt werden, sondern gerade in Richtung ihres Zielortes fliegen.
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Der aluphobe Werkstoff kann beispielsweise ein keramischer Werkstoff - insbesondere Aluminiumoxid, Bornitrid und Niob oder dergleichen als metallische Beschichtung - sein.
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Sofern der Düsenkörper aus einem aluphilen Werkstoff gefertigt ist, kann die an die Düsenbohrung angrenzende Oberfläche auf der dem Kompressionsraum abgewandten Seite des Düsenkörpers mit dem aluphoben Werkstoff beschichtet sein. Umgekehrt kann der Düsenkörper auch aus einem aluphoben Werkstoff gefertigt sein und im Bereich der Düsenbohrung eine Beschichtung aus einem aluphilen Werkstoff aufweisen.
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Darüber hinaus kann auch im Wege einer Gefügeumwandlung ein aluphiler oder aluphober Oberflächenbereich geschaffen werden.
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Bevorzugt weist die Düsenbohrung Abschnitte mit unterschiedlich großen Bohrungsdurchmessern auf, wobei vorzugsweise die Bohrungsdurchmesser in Richtung des Endes der Düsenbohrung kleiner werden. Der kleiner werdende Bohrungsdurchmesser unterstützt die Tropfenbildung und das Ablösen der Tropfen am Ende der Düsenbohrung. Zur Strömungsoptimierung innerhalb der Düsenbohrung wird vorgeschlagen, dass die Abschnitte mit unterschiedlichen Bohrungsdurchmessern über einen konisch geformten Abschnitt verbunden sind.
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Der Düsenkörper ist vorteilhafterweise plattenförmig ausgebildet oder umfasst eine Düsenplatte. Die Plattenform erleichtert die Ausbildung der Düsenbohrung, da der die Bohrung aufweisende Bereich leicht zugänglich ist. Sofern der Düsenkörper mehrteilig ausgeführt ist und eine Düsenplatte umfasst, können die übrigen Teile des Düsenkörpers aus einem anderen Werkstoff als die Düsenplatte gefertigt werden. Der Werkstoff kann somit der jeweiligen Funktion eines Teils des Düsenkörpers angepasst werden.
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Beispielsweise kann der Düsenkörper einen Hohlzylinder zur radialen Begrenzung des Kompressionsraums umfassen. Der Hohlzylinder kann somit zugleich zur Führung des hin- und herbeweglichen Kolbens eingesetzt werden. Der Hohlzylinder ist daher bevorzugt aus einem Werkstoff gefertigt, der besonders verschleißfest ist.
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Sofern der Düsenkörper mehrteilig ausgeführt ist und eine Düsenplatte und einen Hohlzylinder umfasst, sind die Düsenplatte und der Hohlzylinder bevorzugt mittels einer Düsenspannmutter verbunden. Mittels der Düsenspannmutter können die beiden Teile miteinander verspannt werden. Durch Verspannen der beiden Teile des Düsenkörpers können hohe Dichtkräfte erzielt werden, so dass sichergestellt ist, dass keine Metallschmelze zwischen den beiden Teilen nach außen tritt.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der hin- und herbewegliche Kolben der Vorrichtung mit einem Aktor, vorzugsweise mit einem Magnet- oder Piezoaktor, wirkverbunden ist. Mit Hilfe des Aktors kann der Kolben hin- und herbewegt werden. Vorzugsweise kommt ein Piezoaktor zum Einsatz, da dieser kurze schnelle Bewegungen zur Erzeugung schnell aufeinander folgender Druckpulse ermöglicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine nicht-erfindungsgemäße Vorrichtung und
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine weitere nicht-erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze umfasst einen mehrteilig ausgeführten Düsenkörper 4, der ein plattenförmiges Teil bzw. eine Düsenplatte 12 umfasst. Die Düsenplatte 12 ist mittels einer Düsenspannmutter 10 mit einem Hohlzylinder 9 verbunden, d. h. axial verspannt, in dem ein hin- und herbeweglicher Kolben 3 aufgenommen ist. Der Kolben 3, der Hohlzylinder 9 und die Düsenplatte 12 begrenzen gemeinsam einen Kompressionsraum 2, der mit einer Metallschmelze 1 befüllbar ist.
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Die Vorrichtung umfasst ferner einen Aktor (nicht dargestellt) mit dessen Hilfe der Kolben 3 hin- und herbewegbar ist. Dabei taucht der Kolben 3 in den Kompressionsraum 2 ein oder zieht sich aus diesem zurück. Auf diese Weise werden Druckwellen bzw. Druckpulse erzeugt, welche die Metallschmelze 1 in eine Düsenbohrung 5 der Düsenplatte 12 drücken, so dass diese über die Düsenbohrung 5 in Form einzelner Tropfen 11 ausgetragen wird.
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Um sicherzustellen, dass sich die Tropfen 11 jeweils erst am Ende der Düsenbohrung 5 und nicht bereits innerhalb der Düsenbohrung 5 ablösen, weist die Düsenplatte 12 im Bereich der Düsenbohrung 5 eine Beschichtung 6 aus einem aluphilen Werkstoff auf. Der aluphile Werkstoff verbessert die Benetzungsfähigkeit der die Düsenbohrung 5 begrenzenden Oberflächen mit der aluminiumhaltigen Metallschmelze 1. Die Metallschmelze 1 neigt somit weniger dazu, sich nach der Erzeugung eines Tropfens 11 in den Kompressionsraum 2 zurückzuziehen, so dass die Düsenbohrung 5 mit Metallschmelze 1 gefüllt bleibt und gleich der nächste Tropfen 11 ausgebildet werden kann.
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Im Bereich einer an die Düsenbohrung 5 angrenzenden Oberfläche 7, die auf der dem Kompressionsraum 2 abgewandten Seite der Düsenplatte 12 ausgebildet ist, ist eine Beschichtung 8 aus einem aluphoben Werkstoff vorgesehen. Die Beschichtung 8 wiederum unterstützt das Ablösen der Tropfen 11 am Ende der Düsenbohrung 5, in Strömungsrichtung der Metallschmelze 1 gesehen.
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Das endseitige Ablösen der Tropfen 11 wird bei der in der 1 dargestellten Vorrichtung ferner dadurch gefördert, dass die in der Düsenplatte 12 ausgebildete Düsenbohrung 5 Abschnitte 5.1, 5.2 mit unterschiedlich großen Bohrungsdurchmessern besitzt, die über einen konisch geformten Abschnitt 5.3 verbunden sind. Auf diese Weise wird eine sich in Strömungsrichtung zum Ende hin verjüngende Düsenbohrung 5 geschaffen, die ein endseitiges Ablösen der Tropfen 11 unterstützt.
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Mit Hilfe der in der 1 dargestellten Vorrichtung lassen sich somit Tropfen 11 aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze 1 ausbilden, die eine definierte Größe aufweisen und exakt positioniert werden können, da sie nach dem Ablösen nicht abgelenkt werden, sondern - anders als in den 2 und 3 dargestellt - senkrecht nach unten fallen.
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Den 2 und 3 sind bekannte Vorrichtungen zur generativen Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze 1 zu entnehmen, weder eine aluphile, noch eine aluphobe Beschichtung aufweisen.
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Wie beispielhaft in der 2 dargestellt, zieht sich die aluminiumhaltige Metallschmelze 1 - in Ermangelung einer aluphilen Beschichtung im Bereich der Düsenbohrung 5 - nach der Erzeugung eines Tropfens 11 aus der Düsenbohrung 5 zurück. Dabei kann sich innerhalb der Düsenbohrung 5 ein Tropfen 11 ablösen, der kleiner als der Bohrungsdurchmesser der Düsenbohrung 5 ist und somit exzentrisch ausgetragen wird. Aufgrund der einseitig höheren Wandreibung innerhalb der Düsenbohrung 5 wird der Tropfen 11 beim Austritt aus der Düsenbohrung 5 zudem abgelenkt, was zur Folge hat, dass er nicht senkrecht nach unten fällt (siehe Pfeil, der die Flugbahn des Tropfens 11 andeutet). Der Tropfen 11 wird somit sein Ziel verfehlen.
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Wie beispielhaft in der 3 dargestellt, kann das Fehlen einer aluphoben Beschichtung im Bereich einer an die Düsenbohrung 5 angrenzenden Oberfläche 7 auf der dem Kompressionsraum 2 abgewandten Seite der Düsenplatte 12 dazu führen, dass es beim Austreten der Metallschmelze 1 aus der Düsenbohrung 5 nicht direkt zum Ablösen eines Tropfens 11 kommt. Die Metallschmelze 1 bleibt zunächst an der Oberfläche 7 haften. Kommt es dann zur Ablösung eines Tropfens 11, ist dieser derart abgelenkt, dass er schräg nach unten fällt (siehe Pfeil, der die Flugbahn des Tropfens 11 andeutet).
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung können diese Nachteile beseitigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015206813 A1 [0003]
