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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer 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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Zusätzlich gilt es zu verhindern, dass Tropfen an der Düsenplatte anhaften, bzw. ausfrieren und diese dadurch benetzen. Dadurch wird die Geometrie des zu druckenden Werkstücks negativ beeinflusst, da ausgestoßene Tropfen ggf. in Schwingung versetzt, bzw. abgelenkt werden.
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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 werden die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 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 weist dabei auf der dem Kompressionsraum (2) abgewandten Seite eine metallophobe, insbesondere eine aluphobe Struktur auf.
Die metallophobe, insbesondere aluphobe Struktur unterstützt sowohl 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, als auch ein verbessertes Ablöseverhalten der tropfen an der Düsenplattenunterseite.
Es wird in vorteilhafter Weise ein flächiger Schutz des Düsenkörpers bzgl. der Anhaftung von zurückprallenden Tropfen erreicht.
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Die Struktur ist vorzugsweise aus einer porösen Struktur gebildet.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass ein aus der Düsenbohrung austretender Tropfen keinerlei adhäsive Kräfte seitens der Düsenplattenunterseite erfährt. Die erfindungsgemäße Struktur führt zu einer Minimierung des Kontakts des flüssigen Metalls mit dem Untergrund und zwingt dadurch die Flüssigkeitssäule aufgrund der Dominanz der Kohäsionskräfte zur Tropfenbildung.
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Ferner ist es von Vorteil, dass der Düsenkörper zumindest im Bereich der Düsenbohrung aus einem metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff gefertigt ist oder eine Beschichtung mit einem metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff aufweist.
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„Metallophil“ bedeutet, dass der Kontaktwinkel zwischen der Metallschmelze und der aus dem metallophilen, insbesondere 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, deren Düsenkörper auf der dem Kompressionsraum abgewandten Seite eine metallophobe, insbesondere eine aluphobe Struktur aufweist und im Bereich der Düsenbohrung einen metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff aufweist, können diese Nachteile vermieden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der metallophile, insbesondere 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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Beispielsweise 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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In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Düsenspannmutter auf der dem Werkstück zugewandten Seite eine metallophobe, insbesondere eine aluphobe Struktur auf.
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Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung vorgeschlagen, wobei die metallophobe, insbesondere aluphobe Struktur durch eine Laserinterferenzstrukturierung erzeugt wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, die Struktur periodisch <10µm mittels der Laserinterferenzstrukturierung zu erzeugen.
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Gegenüber dem Verfahren des beispielsweise Laserdirektstrukturierens weist das Laserinterferenzstrukturieren Vorteile auf. Das Überlagern zweier oder mehrerer kohärenter Laserstrahlen erzeugt dabei innerhalb des Fokuspunktes (Interferenzvolumen) ein periodisches Interferenzmuster bzw. eine Intensitätsverteilung. Bevorzugt in Form einer Linienstruktur. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise periodische Strukturen zu erzeugen, die signifikant kleiner als der eigentliche Strahldurchmesser sind.
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Besonders vorteilhaft sind metallophobe Strukturen, deren laterale Strukturperiode und Strukturtiefe ≤ 10 µm sind. Dieser Struktur ist im Allgemeinen eine um ca. einer Größenordnung kleinere Substruktur überlagert. Die Substruktur ist bevorzugt sphärisch ausgebildet. Die geometrische Ausprägung der Struktur ist so zu gestalten, dass zwischen Tropfen und strukturierter Oberfläche möglichst der sogenannte Cassie-Baxter Status erreicht wird, mindestens jedoch eine Anhaftung von Tropfen durch Minimierung der Kontaktfläche verhindert wird.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Struktur wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass dem flüssigen Metall möglichst wenig Kontaktfläche geboten wird. Hierzu ist eine Strukturierung der kompletten Fläche erforderlich. Es ist nicht zielführend, große Vertiefungen oder ein poröses Gefüge zu erzeugen. Die Vertiefungen sollten relativ zu der strukturellen Dimension gering sein.
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Der bearbeitende energetische Strahl sollte einen Bearbeitungsdurchmesser <10µm haben, um enge Strukturen zu erhalten. Für den flächigen Abtrag periodischer Strukturen mit Strukturperioden <10µm ist das Laserinterferenzstrukturieren bevorzugt anzuwenden.
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Alternativ zur Längsstruktur sind auch Kreuzstrukturen denkbar. Die Vertiefungen sollten möglichst eng (im Abstand von 10µm oder besser geringer) angeordnet werden. Damit sollte der Laser auch eine ca. <10µm breite Bearbeitungsspur hinterlassen. Es sind keine großen Vertiefungen erforderlich, eine raue Fläche ohne ebene bzw. glatten Stellen ist hinreichend. Damit stützt sich flüssige Metallschmelze nur auf Erhebungen ab und dringt aufgrund der Oberflächenspannung nicht in die Vertiefungen ein.
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Bevorzugt besitzen sie lediglich eine Tiefe von ca. 2µm und damit relativ zum Abstand der Furchen eine untergeordnete Ausdehnung.
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Bevorzugt ist die Strukturierung auf der gesamten freien, der dem Werkstück zugewandten Seite vorhanden. Daher ist in einer bevorzugten Ausführung auch die Düsenspannmutter auf der dem Werkstück zugewandten Seite strukturiert.
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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 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 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 auf der dem Kompressionsraum 2 abgewandten Seite 7 eine metallophobe, insbesondere eine aluphobe Struktur 18 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.
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Eine Oberfläche 7, die auf der dem Kompressionsraum 2 abgewandten Seite 7 der Düsenplatte 12 ausgebildet ist, weist diese eine metallophobe, insbesondere aluphobe Struktur 18 auf. Die aluphobe Struktur 18 wiederum unterstützt das Ablösen der Tropfen am Ende der Düsenbohrung 5, in Strömungsrichtung der Metallschmelze 1 gesehen. Die Oberfläche 7 bildet die Düsenplattenunterseite 7 aus.
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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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Die Düsenspannmutter 10 weist auf der dem Werkstück zugewandten Seite 8 eine metallophobe, insbesondere eine aluphobe Struktur 18 auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015206813 A1 [0003]
