-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze.
-
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.
-
Stand der Technik
-
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.
-
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.
-
Ferner ist es von Nachteil bei Düsenplatten deren Düsenbohrung in der Mitte senkrecht austritt, so dass der Austrittwinkel 90° beträgt. Ein Austrittswinkel von 90° stellt keine ausgeprägte Tropfkante dar, so dass eine Tropfenablösung geometrisch nicht unterstützt wird, bzw. es passieren kann, dass flüssige Schmelze an der Kante haften bleibt.
-
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.
-
Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
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, wobei der Düsenkörper eine Düsenplatte mit einer Austrittsöffnung umfasst und diese an einer dem Kompressionsraum abgewandten Seite (8) angrenzt. Erfindungsgemäß bildet die Düsenbohrung im Bereich ihrer Austrittsöffnung mit der dem Kompressionsraum abgewandten Seite der Düsenplatte eine Kante aus, die eine Tropfen ablösende Geometrie aufweist.
-
Die Kante ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung konzentrisch und scharfkantig um die Austrittsöffnung der Düsenplatte ausgebildet. Dabei weist die Kante einen Winkel kleiner 90°, insbesondere kleiner 10° auf.
Die erfindungsgemäße Kante, bzw. Tropfkante unterstütz das Ablösen von Tropfen geometrisch, so dass sich diese gut von der Kante ablösen können. Im Betrieb der Vorrichtung wird die Düsenplatte, bzw. Düse genau bis zur Tropfkante gefüllt und durch die große Oberflächenspannung von flüssigem Aluminium auch dort gehalten. Für das in der Düsenbohrung befindliche Aluminium ist eine Benetzung in Richtung der Plattenunterseite bei einem Tropfkantenwinkel von deutlich kleiner 90° in vorteilhafter Weise unwahrscheinlicher. Selbst wenn diese Tropfkante partiell von flüssigem Aluminium umnetzt wird, ist die ablenkende Wirkung auf den Tropfen geringer.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Düsenplatte zumindest im Bereich der Düsenbohrung ein aluphiles Verhalten auf und die Düsenplatte weist zumindest im Bereich einer an der Düsenbohrung angrenzenden Oberfläche, die auf der dem Kompressionsraum abgewandten Seite angeordnet ist, ein aluphobes Verhalten auf.
-
Es ist von Vorteil die Düsenbohrung im Bereich ihrer Austrittsöffnung aus einem keramischen Material auszubilden. Bevorzugt ist der Bereich aus Shapal oder isostatisch gepresstem Graphit gebildet.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist die Düsenbohrung im Bereich ihrer Austrittsöffnung aus Niob gebildet.
-
Die Düsenplatte ist aus einem gut bearbeitbaren Material hergestellt, um in vorteilhafter Weise eine saubere gleichmäßige Tropfkante herstellen zu können. Besonders vorteilhaft sind keramische Materialien wie z.B. Shapal oder isostatisch gepresstes Graphit. Alternativ können auch gegen Aluminium widerstandsfähige metallische Stoffe wie z.B. Niob eingesetzt werden. Normale Keramiken führen nachteilig aufgrund ihres spröden Verhaltens zu Ausbrüchen.
-
„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.
-
Bei einer Düsenbohrung, die in einem rechten Winkel zur Austrittsfläche der Düsenplatte angeordnet ist und ggf. 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.
-
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorrichtung, die im Bereich der Austrittsöffnung eine konzentrisch scharfkantig ausgebildete Kante und in einer Weiterbildung einen Bereich mit aluphilem Verhalten aufweist, können diese Nachteile vermieden werden.
-
Der Einsatz von Werkstoffen mit aluphobem Verhalten 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.
-
Der aluphobe Werkstoff kann beispielsweise ein keramischer Werkstoff - insbesondere Aluminiumoxid, Bornitrid und Niob oder dergleichen als metallische Beschichtung - sein.
-
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.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur generativen Fertigung und
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine-erfindungsgemäße Düsenplatte.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
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.
-
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.
-
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 aluphiles Verhalten, bzw. 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 in den Kompressionsraum 2 zurückzuziehen, so dass die Düsenbohrung 5 mit Metallschmelze 1 gefüllt bleibt und gleich der nächste Tropfen ausgebildet werden kann.
-
Im Bereich einer an die Düsenbohrung 5 angrenzenden Oberfläche 7, die auf der dem Kompressionsraum 2 abgewandten Seite 8 der Düsenplatte 12 ausgebildet ist, weist der Bereich ein aluphobes Verhalten auf, bzw. ist 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.
-
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.
-
2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine-erfindungsgemäße Düsenplatte 12, wobei die Düsenplatte 12 eine Austrittsöffnung 20 umfasst und diese an der dem Kompressionsraum 2 abgewandten Seite 8 angrenzt. Die Düsenbohrung 5 bildet im Bereich ihrer Austrittsöffnung 20 mit der dem Kompressionsraum 2 abgewandten Seite 8 der Düsenplatte 12 eine Kante 18 aus, die eine Tropfen ablösende Geometrie aufweist. Die Kante 18 ist konzentrisch und scharfkantig um die Austrittsöffnung 20 der Düsenplatte 12 ausgebildet und weist einen Winkel viel kleiner 90° auf.
-
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung können diese Nachteile beseitigt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102015206813 A1 [0003]
