DE102019202196A1

DE102019202196A1 - Verfahren und Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen Werkstoff

Info

Publication number: DE102019202196A1
Application number: DE102019202196.4A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Maier; Roland Bleher; Peter Voehringer; Gregor Kron
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2020-08-20
Also published as: WO2020169262A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff, bei dem der flüssige Werkstoff mittels eines Druckpulses, der mit Hilfe eines hin- und herbeweglichen Kolbens (1) erzeugt wird, über eine Düse (4) in Form eines Tropfens (8) ausgetragen wird. Erfindungsgemäß werden über die Hin- und Herbewegungen des Kolbens (1) Gasblasen im flüssigen Werkstoff erzeugt, die Gasblasen werden zur Implosion gebracht und ein bei der Implosion der Gasblasen entstehender Druckpuls wird zum Austragen des flüssigen Werkstoffs genutzt.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Zu den generativen Fertigungsverfahren zählt insbesondere das 3D-Drucken, bei dem flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut werden. Vorliegend werden daher insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum 3D-Drucken vorgeschlagen, wobei jedoch ausschließlich flüssige bzw. verflüssigte Werkstoffe zum Einsatz gelangen sollen.
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.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen bzw. verflüssigten Werkstoff anzugeben, die eine Erhöhung der Tropfenfrequenz zur Steigerung des Wirkungsgrads ermöglichen.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff. Bei dem Verfahren wird der flüssige Werkstoff mittels eines Druckpulses, der mit Hilfe eines hin- und herbeweglichen Kolbens erzeugt wird, über eine Düse in Form eines Tropfens ausgetragen. Erfindungsgemäß werden über die Hin- und Herbewegungen des Kolbens Gasblasen im flüssigen Werkstoff erzeugt, die Gasblasen werden zur Implosion gebracht und ein bei der Implosion der Gasblasen entstehender (weiterer) Druckpuls wird zum Austragen des flüssigen Werkstoffs genutzt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden demnach mittels des hin- und herbeweglichen Kolbens Druckpulse sowohl direkt, als auch indirekt unter Ausnutzung des physikalischen Effekts der Kavitation erzeugt. Der Kolben wird hierzu hochdynamisch bewegt bzw. abrupt abgebremst, so dass aufgrund der Trägheit des flüssigen Werkstoffs lokale Unterdruck- bzw. Kavitationsgebiete entstehen. Beim Zerfall der Kavitationsgebiete treten Druckpulse auf, die analog den direkt erzeugten Druckpulsen zu einem Tropfenausstoß führen. Da jeder Druckpuls mit einem Tropfenausstoß einhergeht, kann auf diese Weise die Tropfenfrequenz erhöht werden.
Bevorzugt wird ein mit dem Kolben wirkverbundener Piezoaktor zur Steuerung der Hin- und Herbewegungen des Kolbens verwendet. Die vergleichsweise hohe Kraft des Piezoaktors, insbesondere im Vergleich zu einem Magnetaktor, ermöglicht sehr dynamische Kolbenbewegungen. Beispielsweise kann der Kolben mit bis zu 2000 g beschleunigt werden. Das heißt, dass bereits mit kleinen Bewegungen bzw. Hüben des Kolbens Tropfen ausgestoßen werden können. Dies erweist sich insbesondere dann als Vorteil, wenn die Tropfenfrequenz erhöht werden soll. Kleine Hübe erfordern zudem geringe Ladungsmengen, so dass die Leistungselektronik weniger leistungsstark ausfallen kann. Auch dies erweist sich als Vorteil im Hinblick auf eine gesteigerte Tropfenfrequenz.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Piezoaktor nicht kontinuierlich, sondern diskontinuierlich mit gleicher Stromstärke geladen oder entladen wird. Da die Wirkverbindung zwischen dem Piezoaktor und dem Kolben in der Regel eine mechanisch steife Verbindung ist, reagiert der Kolben direkt auf die jeweilige Ladungszunahme bzw. -abnahme. Der Kolben kann somit gezielt beschleunigt oder abgebremst werden. Auf diese Weise können beliebige Bewegungsverläufe gefahren werden, um beispielsweise einzelne Druckpulse zu verstärken oder abzuschwächen.
Bevorzugt wird zur (direkten) Erzeugung eines ersten Druckpulses der Piezoaktor mit einem Ladestrom geladen, der maximal 20 A beträgt. Die Ladungszunahme führt zu einer Längung des Piezoaktors und zu einem Hub des mit dem Piezoaktor wirkverbundenen Kolbens. Der Hub des Kolbens wiederum generiert einen ersten Druckpuls.
Bei der Durchführung des Verfahrens werden vorzugsweise durch den Piezoaktor Ladungen aufgenommen, die 10 µC bis 700 µC betragen. Auf diese Weise können Kolbenhübe von 1 µm bis 50 µm erzeugt werden.
Ein zweiter Druckpuls kann durch abruptes Abbremsen des Kolbens realisiert werden, so dass sich der unter dem Kolben befindliche flüssige Werkstoff aufgrund der Trägheitskräfte weiterbewegt und zur Entstehung eines lokalen Kavitationsgebiets führt. Fällt dieses wenig später in sich zusammen, entsteht ein erneuter Druckaufbau bzw. Druckpuls, auch „Wasserschlag“ oder „Wasserschlageffekt“ genannt, der zum Austrag eines Tropfens führt.
Wird anschließend der Kolben hochdynamisch zurückgezogen, entsteht aufgrund der Trägheit des flüssigen Werkstoffs unter dem Kolben erneut ein lokales Unterdruck- bzw. Kavitationsgebiet. Denn der Unterdruck, der nahezu Null bar absolut betragen kann, wird durch den nachfließenden flüssigen Werkstoff nicht schnell genug ausgeglichen. Zerfällt anschließend das Unterdruck- bzw. Kavitationsgebiet entsteht ein erneuter Wasserschlag bzw. Druckpuls, der einen weiteren Tropfen auslöst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden demnach über die Hin- und Herbewegungen des Kolbens während eines Ladungs- und Entladungszyklus des Piezoaktors mindestens zwei, vorzugsweise drei Druckpulse erzeugt, wobei vorzugsweise jeder Druckpuls zu einem Tropfenausstoß über die Düse führt. Lediglich ein Druckpuls wird dabei direkt durch den Kolben erzeugt. Zur Erzeugung des wenigstens einen weiteren Druckpulses werden physikalische Effekte, insbesondere der Kavitations- bzw. Wasserschlageffekt, genutzt.
Darüber hinaus kann auch nur ein Druckpuls erzeugt werden, wobei in diesem Fall der eine Druckpuls bevorzugt direkt durch den Kolben erzeugt wird. Der Kolben wird hierzu dynamisch beschleunigt, so dass Druck aufgebaut und der gewünschte Druckpuls erzeugt wird. Anschließend wird der Kolben langsam abgebremst, sozusagen asymptotisch der untere Totpunkt des Kolbens angefahren, um anschließend in eine langsam schneller werdende Rückzugsbewegung des Kolbens überzugehen. Vor Erreichen des oberen Totpunkts wird der Kolben erneut langsam abgebremst. Aufgrund dieser „fließenden“ Übergänge werden weitere auf den Kavitations- oder Wasserschlageffekt zurückzuführenden Druckpulse vermieden. Der Kolben muss sich lediglich so langsam bewegen, dass flüssiger Werkstoff ausreichend schnell nachfließen kann.
Vorzugsweise wird durch den Kolben ein Druckanstieg und damit Druckpuls im flüssigen Werkstoff erzeugt, der einem quasi statischen Druck von mindestens 3 bar entspricht. Zur Erzeugung eines entsprechenden Druckpulses wird vorzugsweise der Kolben aus seiner oberen Totpunktlage hochdynamisch beschleunigt, so dass die Kolbenbewegung den Druckpuls direkt erzeugt.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ferner eine Vorrichtung vorgeschlagen, die einen hin- und herbeweglichen Kolben umfasst, der einen mit einem flüssigen Werkstoff befüllbaren Kompressionsraum begrenzt und mit einem Piezoaktor wirkverbunden ist. Die Vorrichtung umfasst ferner eine koaxial zum Kolben angeordnete Düse, über welche der flüssige Werkstoff in Tropfenform austragbar ist. Der Piezoaktor ermöglicht eine hohe Kraft und damit hochdynamische Bewegungen des Kolbens zur Erzeugung eines Druckpulses. Die hochdynamischen Bewegungen des Kolbens in Verbindung mit der Trägheit des flüssigen Werkstoffs können unter Ausnutzung des Kavitations- bzw. Wasserschlageffekts zur Erzeugung weiterer Druckpulse eingesetzt werden. Auf diese Weise kann die Tropfenfrequenz erhöht werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Kompressionsraum über einen radialen Spalt zwischen dem Kolben und einer Kolbenführung mit einem Reservoir für den flüssigen Werkstoff verbunden ist. Nach jedem Tropfenausstoß kann über den Spalt flüssiger Werkstoff aus dem Reservoir in den Kompressionsraum nachfließen, was eine hohe Tropfenfrequenz begünstigt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen Werkstoff und
2 Diagramme zur graphischen Darstellung eines typischen Ladekurvenverlaufs (a), eines Kolbenhubverlaufs (b) und eines Druckverlaufs im Kompressionsraum (c).

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der 1 ist beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten Werkstoff zu entnehmen. Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Bei der dargestellten Vorrichtung handelt es sich vorliegend um einen 3D-Drucker bzw. um einen Druckkopf eines 3D-Druckers.
Die dargestellte Vorrichtung umfasst einen in einem Gehäuse 10 hin- und herbeweglich aufgenommenen Kolben 1, der einen Kompressionsraum 2 begrenzt. Der Kompressionsraum 2 ist mit einem flüssigen Werkstoff, z. B. mit einer Aluminiumschmelze, befüllt bzw. befüllbar. Der Kompressionsraum 2 ist hierzu über einen radialen Spalt 5 zwischen dem Kolben 1 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.
An das Gehäuse 10 ist eine Düse 4 angesetzt, über die der flüssige Werkstoff in Form diskreter Tropfen 8 austragbar ist. Zum Austragen eines Tropfens 8 wird im Kompressionsraum 2 ein Druckpuls erzeugt, der zu einem Tropfenausstoß führt. Der Druckpuls wiederum wird durch eine hochdynamische Bewegung des Kolbens 1 in Richtung der Düse 4 bewirkt. Die Kolbenbewegung wird mittels eines Piezoaktors 3 initiiert, der mit dem Kolben 1 über eine Kolbenstange 11 wirkverbunden ist. Bei einer Bestromung des Piezoaktors 3 längt sich dieser, so dass der Kolben 1 tiefer in den Kompressionsraum 2 eintaucht. Dies führt zur Ausbildung eines Druckpulses.
Darüber hinaus kann während einer einzigen Ladungs- und Entladungsperiode des Piezoaktors 3 mindestens ein weiterer Druckpuls unter Ausnutzung des Kavitations- bzw. Wasserschlageffekts generiert werden.
Wie schematisch in der 2 dargestellt wird hierzu der Piezoaktor 3 geladen, vorliegend mit etwa 700 µC (siehe 2a). Entsprechend führt der Kolben 1 einen ersten großen Hub aus (siehe 2b), was zu einem ersten Druckpuls (A) im Kompressionsraum 2 führt (siehe 2c). Ein zweiter Druckpuls (B) resultiert aus einem Wasserschlageffekt, wenn der Kolben 1 abrupt abgebremst wird und sich der flüssige Werkstoff aufgrund seiner Trägheit unter dem Kolben 1 weiterbewegt. Ein Unterdruckgebiet entsteht und zerfällt anschließend wieder, was zu dem zweiten Druckpuls (B) führt. Wird der Piezoaktor 3 schließlich entladen, fährt der Kolben 1 wieder ein, und zwar so schnell, dass flüssiger Werkstoff nicht ausreichend schnell über den Spalt 5 nachfließen kann. Erneut entsteht unter dem Kolben 1 ein Unterdruckgebiet, das mit seinem Zerfall einen dritten Druckpuls (C) erzeugt.
Auf diese Weise werden physikalische Effekte zur (indirekten) Erzeugung von Druckpulsen genutzt, wobei die Anzahl der Druckpulse während eines Ladungs- und Entladungszyklus des Piezoaktors 3 variiert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015206813 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff, bei dem der flüssige Werkstoff mittels eines Druckpulses, der mit Hilfe eines hin- und herbeweglichen Kolbens (1) erzeugt wird, über eine Düse (4) in Form eines Tropfens (8) ausgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass über die Hin- und Herbewegungen des Kolbens (1) Gasblasen im flüssigen Werkstoff erzeugt werden, die Gasblasen zur Implosion gebracht werden und ein bei der Implosion der Gasblasen entstehender Druckpuls zum Austragen des flüssigen Werkstoffs genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Kolben (1) wirkverbundener Piezoaktor (3) zur Steuerung der Hin- und Herbewegungen des Kolbens (1) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (3) diskontinuierlich mit gleicher Stromstärke geladen oder entladen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (3) mit einem Ladestrom geladen wird, der maximal 20 A beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Piezoaktor (3) Ladungen aufgenommen werden, die 10 µC bis 700 µC betragen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kolbenhübe von 1 µm bis 50 µm erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass über die Hin- und Herbewegungen des Kolbens (1) während eines Ladungs- und Entladungszyklus des Piezoaktors (3) mindestens zwei, vorzugsweise drei Druckpulse erzeugt werden, wobei vorzugsweise jeder Druckpuls zu einem Tropfenausstoß über die Düse (4) führt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Hin- und Herbewegungen des Kolbens (1) Druckpulse im flüssigen Werkstoff erzeugt werden, die einem quasi statischen Druck von mindestens 3 bar entsprechen.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen hin- und herbeweglichen Kolben (1), der einen mit einem flüssigen Werkstoff befüllbaren Kompressionsraum (2) begrenzt und mit einem Piezoaktor (3) wirkverbunden ist, ferner umfassend eine koaxial zum Kolben (1) angeordnete Düse (4), über welche der flüssige Werkstoff in Tropfenform austragbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressionsraum (2) über einen radialen Spalt (5) zwischen dem Kolben (1) und einer Kolbenführung (6) mit einem Reservoir (7) für den flüssigen Werkstoff verbunden ist.