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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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Die Offenlegungsschrift
DE102016224047A1 zeigt einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, insbesondere Metalldrucker, umfassend ein Gehäuse, eine Vorrichtung zur Zuführung eines Metalls, einen Kolben, ein Reservoir mit einer Austrittsöffnung und eine Aktorvorrichtung zur Verschiebung des Kolbens.
Sie zeichnet sich dadurch aus, dass 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. Ferner ist die Austrittsöffnung für den Ausstoß von Tropfen der flüssigen Phase des Metalls ausgebildet, wobei die Austrittsöffnung die Form einer Düse aufweist und fest mit dem Schmelztiegel verbunden sein kann, oder einen wechselbaren Einsatz aufweist, der den Einsatz von unterschiedlichen Düsengeometrien erlaubt. Auf die Befestigung des Einsatzes, bzw. die Verbindung am Druckkopf wird nicht näher eingegangen.
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Bei wechselbaren Einsätzen entsteht eine Kontaktfläche. Problematisch ist, wenn es zu Undichtheiten an dieser Dichtstelle der auswechselbaren Einsätze kommt. Da bei dem vorgesehen Einsatz Temperaturen von größer 600°C auftreten, kommen nur wenige Dichtungen in Betracht. Am einfachsten ist es die zwei in Kontakt stehenden Flächen möglichst eben zu gestalten, wodurch ein sehr kleiner Spalt entsteht durch den das flüssige Metall nur schlecht eindringen kann. Ferner treten Leckagen an der Dichtstelle auf, wenn hohe Drücke im Kompressionsraum aufgrund der Aktuierung auftreten oder beim Entleeren des Druckkopfes ein statischer Überdruck der Metallschmelze über längere Zeit in den Spalt gedrückt wird.
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Düsenmaterial wird tendenziell aluphil ausgelegt, um kleine Kontaktwinkel zur Schmelze zu erreichen. Dies scheint zielführend zu sein, um eine Düsenbohrung dauerhaft zu befüllen. Dadurch entsteht jedoch eine Leckage unterstützende Wirkung durch Kapillar-Kräfte, welche sich kontraproduktiv auf die Dichtheit auswirken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckkopf für einen 3D-Drucker mit einer Düsenvorrichtung bereitzustellen, der derart ausgeführt ist, dass eine Leckage verhindert wird. Dichtungen sind häufig nicht temperaturbeständig oder zersetzen sich aufgrund der hochreaktiven Schmelze.
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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 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, wobei der Düsenkörper eine Düsenplatte und einen Hohlzylinder zur radialen Begrenzung des Kompressionsraums umfasst. Die Düsenplatte weist erfindungsgemäß einen zum Kompressionsraum zeigenden Bereich auf, der aus einem aluphilen Werkstoff gefertigt ist oder eine Beschichtung mit einem aluphilen Werkstoff aufweist. Zudem ist erfindungsgemäß zwischen der Düsenplatte und dem Hohlzylinder ein Kontaktbereich ausgebildet, wobei in diesem Bereich die Düsenplatte und/ oder der Hohlzylinder eine aluphobe Struktur aufweisen.
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In einer vorteilhaften Weiterbindung ist die aluphobe Struktur durch Mikrovertiefungen gebildet. Besonders vorteilhaft ist es, dass die Mikrovertiefungen senkrecht zur Dichtrichtung ausgebildet sind. Ferner ist es von Vorteil, dass die Mikrovertiefungen als Kreuzstrukturen ausgebildet sind.
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Vorteilhaft ist es, die aluphobe Struktur auf eine möglichst ebene Kontaktfläche herzustellen. Eine Beschichtung wäre hier nachteilig, da diese nur unter hohem Aufwand eben aufgetragen werden kann. Ferner ist der Einsatz einer aluphoben Struktur an der Kontaktfläche von Vorteil, da diese nach einer Demontage und Reinigung des Druckkopfes nicht erneuert werden muss. Im Gegensatz zu einer aufgebrachten Beschichtung.
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Die Mikrostrukturierung kann insbesondere mittels Laser oder Elektronenstrahl Verfahren auf der Kontaktfläche hergestellt werden.
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Die durch die aluphobe Struktur, bzw. Mikrostruktur hergestellte Oberfläche zeichnet sich durch den sogenannten Lotos Effekt aus. Dieser beruht aus einer sehr rauen Oberfläche in deren Vertiefung die aufgebrachten Flüssigkeiten aufgrund deren Oberflächenspannung grundsätzlich nicht so gut eindringen können. Bei Aluminium wird dies aufgrund einer deutlich höheren Oberflächenspannung gegenüber z.B. Wasser sogar noch verstärkt. Ferner ist es von Vorteil, dass die Dichtflächen zueinander eben sind. Daher ist eine vor der Texturierung durchgeführte Schleifbearbeitung der Kontaktflächen besonders zu bevorzugen.
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Es ist von Vorteil, dass die Ausrichtung der Riefen senkrecht zur Dichtrichtung, also konzentrisch z.B. auf dem Hohlzylinder, bzw. der Führungshülse eingebracht werden. Alternativ sind auch Kreuzstrukturen oder dergleichen denkbar. Die Vertiefungen sollten in vorteilhafter Weise möglichst eng angeordnet werden, insbesondere in einem Abstand von 10µm oder geringer. Großen Vertiefungen haben sich als nicht zielführend herausgestellt, sondern es ist von Vorteil eine raue Fläche ohne ebene bzw. glatten Stellen zu erzeugen. Dadurch wird die gesamte Fläche ohne verbleibende „Inseln“ bearbeitet bzw. in ihrer Oberflächenstruktur verändert. Besonders vorteilhaft ist es einen Zwei-Strahl Laser DLIP UKP / KP Laser zu verwenden. Mit dessen Bearbeitungsverfahren lassen sich Flächen optimal bearbeiten.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung lagert sich die flüssige Schmelze nur an die gleichmäßig spitzen Erhebungen an und kann aufgrund der Oberflächenspannung nicht in die Vertiefungen eindringen.
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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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Die erfindungsgemäße Ausführung sorgt in vorteilhafter Weise für eine optimierte Dichtfläche an der Kontaktfläche zwischen der Düsenplatte und dem Hohlzylinder, da der Kontaktwinkel zwischen dem Düsenkörper und der Schmelze erhöht wird, indem ein aluphobes Verhalten durch eine Mikrostrukturierung erreicht wird. Damit wird der Einfluss der Kapillarkräfte aufgehoben. Eindringendes flüssiges Aluminium wird sozusagen abgestoßen.
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Sofern der Düsenkörper aus einem aluphilen Werkstoff gefertigt ist, kann der aluphobe Bereich durch die Mikrostrukturierung hergestellt sein.
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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 mehrteilig ausgeführt und umfasst die Düsenplatte und den Hohlzylinder. Diese sind 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.
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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 Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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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 ausgetragen wird.
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Um sicherzustellen, dass sich die Tropfen jeweils erst am Ende der Düsenbohrung 5 und nicht bereits innerhalb der Düsenbohrung 5 ablösen, weist die Düsenplatte 12 im Bereich der Düsenbohrung 5 ein metallophiles, insbesondere aluphiles Verhalten auf, beispielsweise in Form einer Beschichtung 6 aus einem aluphilen Werkstoff. Das aluphile Verhalten 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 in den Kompressionsraum 2 zurückzuziehen, so dass die Düsenbohrung 5 mit Metallschmelze 1 gefüllt bleibt und gleich der nächste Tropfen 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 beispielsweise eine Beschichtung aus einem aluphoben Werkstoff vorgesehen. Die Beschichtung wiederum unterstützt das Ablösen der Tropfen am Ende der Düsenbohrung 5, in Strömungsrichtung der Metallschmelze 1 gesehen.
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Das endseitige Ablösen der Tropfen 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 unterstützt.
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Mit Hilfe der in der 1 dargestellten Vorrichtung lassen sich somit Tropfen 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 senkrecht nach unten fallen.
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Ferner weist die Düsenplatte 12 den zum Kompressionsraum 2 zeigenden Bereich 6 auf, der ein metallophiles, insbesondere aluphiles Verhalten aufweist. Beispielsweise wird dies erreicht, indem der Bereich 6 aus einem aluphilen Werkstoff gefertigt ist oder eine Beschichtung 6 mit einem aluphilen Werkstoff aufweist. Zudem ist zwischen der Düsenplatte 12 und dem Hohlzylinder 9 ein Kontaktbereich 8 ausgebildet. In diesem Bereich weisen 8 die Düsenplatte 12 und/ oder der Hohlzylinder 9 eine aluphobe Struktur 8 auf.
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Dadurch wird der Einfluss von Kapillarkräften in diesem Bereich 8 aufgehoben und eindringendes Aluminium 1 wird sozusagen abgestoßen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015206813 A1 [0003]
- DE 102016224047 A1 [0004]
