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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zu den generativen Fertigungsverfahren zählt insbesondere das 3D-Drucken, bei dem flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut werden. Vorliegend wird daher insbesondere ein Verfahren zum 3D-Drucken vorgeschlagen, wobei jedoch ausschließlich flüssige bzw. verflüssigte Werkstoffe zum Einsatz gelangen.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2015 206 813 A1 geht beispielhaft ein Verfahren zum Auftragen eines Fluids auf einen Werkstückträger zum Erzeugen eines Werkstücks hervor, bei dem das Fluid in ein Reservoir mit einer Auslasseinrichtung zum Ausgeben des Fluids eingebracht und anschließend das Volumen des Reservoirs derart verkleinert wird, dass in dem vorhandenen Fluid eine Druckwelle erzeugt wird, mittels welcher das Fluid zumindest teilweise aus dem Reservoir ausgegeben und auf den Werkstückträger aufgetragen wird. Zum Verkleinern des Volumens des Reservoirs wird ein Kolben bewegt, der auf eine Membran einwirkt, die das im Reservoir ausgebildete Volumen begrenzt. Die Bewegung des Kolbens wird dabei elektromagnetisch mit Hilfe einer Spule eines Magnetaktors bewirkt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2016 224 047 A1 ist ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfs eines 3D-Druckers bekannt, bei dem der Arbeitshub eines Kolbens zum tropfenförmigen Austragen einer Metallschmelze durch Aktivierung eines piezoelektrischen Aktors erzeugt wird. Ein solcher Aktor reagiert sehr schnell auf eine elektrische Ansteuerung mit einer Längenänderung, wobei er eine Kraft von bis zu mehreren 100 Newton ausüben kann.
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Aufgrund der hohen Kräfte weist ein Piezoaktor gegenüber einem Magnetaktor den Vorteil auf, dass sehr dynamische Kolbenbewegungen mit hohen Kolbengeschwindigkeiten erzeugbar sind. Dies kann jedoch im Fluid, das über die Kolbenbewegungen angeregt werden soll, zu unerwünschten Schwingungen, insbesondere zu einem Nachschwingen des Fluids führen. In diesem Fall besteht die Gefahr, dass über die Dauer einer einzigen Ladungsperiode des Piezoaktors mehrere aufeinanderfolgende Druckstöße erzeugt werden, die jeweils zur Ausbildung eines Tropfens führen, die - weitgehend unkontrolliert - abgegeben werden.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen bzw. verflüssigten Werkstoff anzugeben, das eine kontrollierte Tropfenabgabe bei einer hohen Tropfenfrequenz ermöglicht.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren 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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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff wird mit Hilfe eines Piezoaktors ein Kolben bewegt und über die Bewegung des Kolbens wird ein Druckpuls erzeugt, der zum tropfen- oder ligamentförmigen Austragen des flüssigen Werkstoffs über eine Düsenbohrung genutzt wird. Erfindungsgemäß wird zum Erzeugen eines Druckpulses ein geladener Piezoaktor
- - in einem ersten Schritt ganz oder teilweise entladen, so dass sich der Kolben aus einer Position A zurückzieht und eine Position B einnimmt, die von der Düsenbohrung weiter entfernt ist, und
- - in einem zweiten Schritt wieder geladen, so dass der Kolben aus der Position B ausfährt und erneut die Position A oder eine Position C einnimmt, die näher an der Düsenbohrung als die Position A liegt.
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Da der Kolben mit Hilfe eines Piezoaktors bewegt wird, können hohe Kräfte und sehr dynamische Kolbenbewegungen erzeugt werden. Beispielsweise können Beschleunigungen des Kolbens über 2000 g erreicht werden. Das heißt, dass bereits kleine Kolbenbewegungen bzw. -hübe ausreichen, um Druckwellen bzw. Druckstöße im flüssigen Werkstoff zu erzeugen, mit deren Hilfe der flüssige Werkstoff tropfenförmig ausgetragen werden kann.
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Kleine Kolbenbewegungen bzw. -hübe weisen den Vorteil auf, dass hohe Tropfenfrequenzen von über 500 Hz möglich sind. Kleine Hübe erfordern zudem geringe Ladungsmengen, so dass eine weniger leistungsstarke Leistungselektronik eingesetzt werden kann, was sich im Hinblick auf eine hohe Tropfenfrequenz ebenfalls als Vorteil erweist.
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Um ein Nachschwingen und damit verbundene Druckspitzen zu vermeiden, die dazu führen könnten, dass während eines Ladungszyklus mehr als nur ein Tropfen ausgetragen wird, wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren der Piezoaktor invers geladen. Das heißt, dass - ausgehend von einem geladenen Zustand - der Piezoaktor zunächst entladen und dann wieder geladen wird, um eine Druckwelle zu erzeugen. Das Entladen des Piezoaktors führt zu einer umgekehrten Kolbenbewegung, bei der sich der Kolben zunächst zurückzieht. Dies hat zur Folge, dass ein Unterdruckgebiet entsteht, in das flüssiger Werkstoff nachströmt. Bevor jedoch im Unterdruckgebiet sich bildende Gasblasen zusammenfallen und einen sogenannten Wasserschlag auslösen, fährt der Kolben wieder aus. Der Wasserschlag fällt somit in die Phase des Druckaufbaus und kann zur Verstärkung eines Tropfen erzeugenden Druckstoßes eingesetzt werden. Ferner ist sichergestellt, dass nur ein Druckstoß und damit nur ein einziger Tropfen erzeugt werden.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen demnach darin, dass gezielt nur ein einzelner Tropfen während einer Ladungsperiode erzeugt wird und die Erzeugung des Tropfens oder Ligaments nur kleine Kolbenbewegungen erfordert. Das heißt, dass hohe Tropfenfrequenzen realisierbar sind und/oder eine weniger leistungsstarke Leistungselektronik einsetzbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Kolben mittels der Federkraft einer Feder in Richtung des Piezoaktors vorgespannt. Die Vorspannung des Kolbens stellt sicher, dass sich der Kolben bei einer Entladung des Piezoaktors zurückzieht bzw. der Bewegung des sich zusammenziehenden Piezoaktors folgt.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass während des ersten Schritts an den entladenen Piezoaktor eine negative Spannung angelegt wird. Das heißt, dass der Piezoaktor sich weiter zusammenzieht und der Kolben sich dementsprechend weiter zurückzieht, so dass der sich hieran anschließende Kolbenhub größer ausfällt. Auf diese Weise kann - sofern erwünscht - ein größerer Tropfen erzeugt werden.
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Alternativ oder ergänzend kann der Hub des Kolbens dadurch vergrößert werden, dass der Kolben beim Ausfahren nicht die Position A, sondern die Position C einnimmt, die näher an der Düsenbohrung liegt, über welche der Tropfen ausgetragen wird.
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Sofern im zweiten Schritt der Kolben soweit ausfährt bzw. ausgefahren wird, dass er die Position C einnimmt, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass in einem sich an den zweiten Schritt anschließenden dritten Schritt der Piezoaktor teilweise entladen wird, so dass sich der Kolben aus der Position C zurückzieht und wieder die Position A einnimmt. Das heißt, dass im dritten Schritt der Kolben in seine Ausgangsposition (Position A) zurückgestellt wird. Der dritte Schritt ist demnach nur erforderlich, wenn im zweiten Schritt der Kolben über die Position A hinaus ausfährt bzw. ausgefahren wird.
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Das Überfahren der Position A im zweiten Schritt und die anschließende Rückstellung des Kolbens im dritten Schritt weisen ferner den Vorteil auf, dass flüssiger Werkstoff, der nach dem Ablösen eines Tropfens außerhalb der Düsenbohrung verbleibt, in die Düsenbohrung zurückgezogen wird. Auf diese Weise können für eine Erhöhung der Tropfenfrequenz optimale hydraulische Verhältnisse geschaffen werden. Beispielsweise kann die Tropfenfrequenz auf 500 Hz und darüber gesteigert werden.
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Bevorzugt wird zum Laden des Piezoaktors eine elektrische Ladung verwendet, die maximal 500 µC, vorzugsweise maximal 400 µC, weiterhin vorzugsweise etwa 300 µC beträgt. Das heißt, dass die elektrische Ladung vergleichsweise niedrig ist. Denn aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, die elektrische Ladungen von etwa 700 µC einsetzen. Da bei dem vorgeschlagenen Verfahren der Piezoaktor selbst dann geladen ist, wenn sich der Kolben in Ruhestellung, das heißt in seiner Ausgangsposition (Position A) befindet, wirkt sich die niedrige elektrische Ladung positiv aus.
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Des Weiteren bevorzugt zieht sich der Kolben im ersten Schritt möglichst schnell aus der Ausgangsposition (Position A) zurück. Dies kann dadurch bewirkt werden, dass an den Piezoaktor nur eine geringe oder keine Spannung angelegt wird. Alternativ kann - wie bereits erwähnt - auch eine negative Spannung angelegt werden. Ziel sollte eine sehr dynamische Rückzugsbewegung des Kolbens sein, um die Entstehung eines Unterdruckgebiets zu fördern. Ein kleiner Kolbenhub ist dabei zielführend, so dass noch vor dem Zusammenfallen der im Unterdruckgebiet entstandenen Gasblasen der Kolben wieder ausgefahren werden kann. Beim Ausfahren im zweiten Schritt sollte sich der Kolben ebenfalls so dynamisch wie möglich bewegen, um über die Kolbengeschwindigkeit einen hohen Druckstoß zu realisieren. Auf diese Weise wird der Kolben mit hoher Geschwindigkeit in die im Unterdruckgebiet entstandenen Gasblasen gestoßen, so dass über einen vergleichsweise kleinen Kolbenhub ein hoher Druckaufbau bewirkbar ist. Durch die gesteigerte Dynamik kann zusätzlich die Tropfengeschwindigkeit erhöht werden, was bei der Bahnsteuerung von Vorteil ist.
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Sofern im zweiten Schritt der Kolben nicht zugleich in seine Ausgangsposition zurückgestellt wird, kann dies in einem dritten Schritt nachgeholt werden, wobei der Kolben wiederum nur wenig bewegt wird.
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Bevorzugt wird der Kolben beim Zurückziehen und/oder Ausfahren maximal 50 µm, vorzugsweise maximal 25 µm, weiterhin vorzugsweise maximal 1 µm bewegt. Die kleinen Kolbenbewegungen bzw. -hübe ermöglichen den Einsatz einer weniger leistungsstarken Leistungselektronik. Ferner werden nach einer Kolbenbewegung entstehende, unerwünschte Schwingungen reduziert.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass über den Hub des Kolbens die Tropfengröße eingestellt wird. Beispielsweise kann die Tropfengröße dadurch vergrößert werden, dass sich der Kolben im ersten Schritt über die Position B hinaus zurückzieht. Alternativ oder ergänzend kann der Kolben im zweiten Schritt über die Position C hinaus ausfahren. Zum Verkleinern der Tropfengröße kann sich der Kolben im ersten Schritt auf eine Position zurückziehen, die noch vor der Position B liegt, so dass er die Position B nicht erreicht. Alternativ oder ergänzend kann der Kolben im zweiten Schritt nur bis Position A ausfahren bzw. ausgefahren werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 a) bis c) jeweils einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich der Düse bei unterschiedlichen Kolbenpositionen,
- 3 a) bis e) jeweils einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich der Düse bei unterschiedlichen Kolbenpositionen und
- 4 die graphische Darstellung des Verlaufs a) der elektrischen Ladung des Piezoaktors, b) des Kolbenhubs und c) des Drucks im Kompressionsraum jeweils während einer Ladungsperiode.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte Vorrichtung dient der generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten Werkstoff. Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
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Die dargestellte Vorrichtung umfasst einen in einem Gehäuse 10 hin- und herbeweglich aufgenommenen Kolben 2, der einen Kompressionsraum 4 begrenzt. Der Kompressionsraum 4 ist mit einem flüssigen Werkstoff, z. B. mit einer Aluminiumschmelze, befüllt bzw. befüllbar. Der Kompressionsraum 4 ist hierzu über einen radialen Spalt 5 zwischen dem Kolben 2 und einer Kolbenführung 6 mit einem Reservoir 7 für den flüssigen Werkstoff verbunden. Über einen Füllstutzen 9 wird das Reservoir 7 mit der Schmelze befüllt.
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An das Gehäuse 10 ist eine Düse 12 mit einer Düsenbohrung 3 angesetzt, über die der flüssige Werkstoff in Form einzelner Tropfen 8 austragbar ist. Zum Austragen eines Tropfens 8 wird im Kompressionsraum 4 ein Druckpuls erzeugt, der zu einem Tropfenausstoß führt. Der Druckpuls wiederum wird durch eine hochdynamische Bewegung des Kolbens 2 in Richtung der Düsenbohrung 3 bewirkt.
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Zum Bewegen des Kolbens 2 ist ein Piezoaktor 1 vorgesehen, der mit dem Kolben 2 über eine Kolbenstange 11 wirkverbunden ist. Wird der Piezoaktor 1 elektrisch geladen, längt sich dieser und der Kolben 2 fährt aus, so dass er tiefer in den Kompressionsraum 4 eintaucht. Dies führt zur Ausbildung eines Druckpulses. Die Rückstellung des Kolbens 2 wird mit Hilfe einer Feder (nicht dargestellt) bewirkt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geht dem eigentlichen Kolbenhub zur Erzeugung des Druckpulses ein Zurückziehen des Kolbens 2 voraus. Hierzu wird der Piezoaktor 1 zunächst entladen und dann wieder geladen.
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Wie beispielhaft in der 2a dargestellt befindet sich der Kolben 2 zu Beginn einer Ladungsperiode in seiner Ausgangsstellung, und zwar in der Position A. Der Piezoaktor 1 wird in einem ersten Schritt entladen, so dass sich der Kolben 2 aus der Position A in eine Position B zurückzieht. Dies ist in der 2b dargestellt. Dabei entsteht im Kompressionsraum 4 ein Unterdruckgebiet, in das flüssiger Werkstoff nachströmt. In einem zweiten Schritt, der in der 2c dargestellt ist, wird der Piezoaktor 1 erneut geladen, so dass der Kolben 2 wieder seine Ausgangsstellung bzw. die Position A einnimmt. Dabei wird ein Druckpuls erzeugt, der zum Austragen eines Teils des flüssigen Werkstoffs über die Düsenbohrung 3 in Form eines einzelnen Tropfens 8 führt.
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In der 4 sind beispielhaft die Verläufe der Ladungskurve (4a), des Kolbenhubs (4b) und des Drucks im Kompressionsraum 4 (4c) während einer Ladungsperiode dargestellt.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der 3a bis 3e erläutert.
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Analog dem zuvor beschriebenen Verfahren wird der geladene Piezoaktor 1 zunächst in einem ersten Schritt entladen, so dass sich der Kolben 2 aus der Position A (3a) in die Position B (3b) zurückzieht. In einem zweiten Schritt wird dann der Piezoaktor 1 erneut geladen, so dass der Kolben 2 wieder ausfährt, wobei er zunächst in die Position A zurückgestellt wird (3c), aber dort nicht verharrt, sondern weiter bis in eine Position C ausfährt (3d), so dass ein besonders hoher Druckpuls erzeugt wird. Anschließend wird in einem dritten Schritt der Piezoaktor 1 soweit entladen, dass der Piezoaktor 1 sich auf seine anfängliche Länge zusammenzieht und der Kolben 2 wieder seine Ausgangsstellung bzw. die Position A einnimmt (3e). Flüssiger Werkstoff, der sich außerhalb der Düsenbohrung 3 befindet, wird dabei zurück in die Düsenbohrung 3 gezogen.
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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]
