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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer Schmelze, insbesondere Metallschmelze, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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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 werden daher insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum 3D-Drucken vorgeschlagen, wobei jedoch ausschließlich flüssige, und zwar verflüssigte Werkstoffe bzw. Schmelzen zum Einsatz gelangen sollen.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2016 224 047 A1 geht beispielhaft ein Druckkopf für einen 3D-Drucker, insbesondere einen Metalldrucker, hervor, der ein in einem Gehäuse ausgebildetes Reservoir zur Aufnahme des Metalls aufweist. Das Reservoir umfasst einen Schmelzbereich und einen Kompressionsraum für das geschmolzene bzw. verflüssigte Metall, wobei der Schmelzbereich und der Kompressionsraum derart verbunden sind, dass durch die Verschiebung eines Kolbens das verflüssigte Metall zum Durchtritt durch eine Austrittsöffnung angeregt wird. Das verflüssigte Metall wird dabei in Form von Tropfen ausgetragen.
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3D-Druckverfahren, die Druckköpfe der vorstehend genannten Art einsetzen, werden auch „Drop-on-Demand“-Verfahren genannt. Dabei stellt die Reproduzierbarkeit der Tropfenbildung eine besondere Herausforderung dar.
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Die Reproduzierbarkeit ist in der Regel nicht gegeben, wenn sich Gas, insbesondere Luft, im Kompressionsraum befindet, denn das Gas bzw. die Luft ist im Vergleich zur Schmelze sehr kompressibel. Da der Kolbenweg zum Austragen der Schmelze in der Regel nur wenige Mikrometer oder sogar weniger als ein Mikrometer beträgt, ist der Tropfenausstoß stark davon abhängig, wieviel des kompressiblen Mediums im Kompressionsraum vorhanden ist. Ggf. ist so viel Gas bzw. Luft im Kompressionsraum vorhanden, dass nicht einmal genügend Druck aufgebaut werden kann, um die Schmelze durch das Spritzloch zu pressen. Das Gas bzw. die Luft gelangt entweder während des Betriebs über das Spritzloch in den Kompressionsraum, dann liegt eine Fehlfunktion vor. Bei dem Gas bzw. der Luft kann es sich aber auch um eine bereits im Kompressionsraum vorhandene Restmenge handeln, die beim Befüllen des Kompressionsraums mit der Schmelze nicht vollständig verdrängt worden ist. Grund hierfür können kleine Ecken und/oder Hinterstiche sein, wobei die Benetzbarkeit der angrenzenden Oberflächen ebenfalls eine Rolle spielt.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Reproduzierbarkeit der Tropfenbildung bei der generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer Schmelze, insbesondere Metallschmelze, zu verbessern.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen 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 einer Schmelze, insbesondere Metallschmelze, wird die Schmelze einem Kompressionsraum zugeführt und mittels eines Druckpulses, der mit Hilfe eines den Kompressionsraum begrenzenden hin- und herbeweglichen Kolbens erzeugt wird, über ein Spritzloch in Tropfenform ausgetragen. Erfindungsgemäß wird vor Fertigungsbeginn und/oder in einer Fertigungspause der Kompressionsraum entgast. Dabei werden Ultraschallwellen in die im Kompressionsraum vorhandene Schmelze eingekoppelt, welche eine Kraft FBjrk erzeugen, die dazu führt, dass das in der Schmelze vorhandene Gas zunächst absinkt. Der Kolben wird dabei aus dem Kompressionsraum herausgezogen und in dieser Position gehalten, so dass das nach dem Absinken aufsteigende Gas über einen Ringspalt zwischen dem Kolben und einer Führung des Kolbens entweichen kann.
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Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vor Fertigungsbeginn und/oder in einer Fertigungspause der Kompressionsraum entgast wird, ist der Kompressionsraum zumindest annähernd frei von stark kompressiblen Medien, wie beispielsweise Luft. Dadurch ist sichergestellt, dass zum einen der zum Austragen der Schmelze erforderliche Druck im Kompressionsraum aufgebaut werden kann und dass zum anderen gleichbleibende Tropfengrößen produziert werden. Das heißt, dass die geforderte Reproduzierbarkeit der Tropfenbildung gegeben ist.
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Zum Entgasen des Kompressionsraums werden Ultraschallwellen, das heißt hochfrequente Schwingungen, in die Schmelze eingekoppelt. Diese überträgt die Schwingungen auf das in der Schmelze als Gasblase eingeschlossene und/oder an einer angrenzenden Oberfläche anhaftende Gas. Ist letzteres der Fall, wird das Gas über die Schwingungen zunächst von der Oberfläche gelöst, so dass sich eine in der Schmelze eingeschlossene Gasblase ausbildet. Auf eine in der Schmelze eingeschlossene Gasblase wirken während der Ultraschall-Anregung unterschiedliche Kräfte, die in der Summe dazu führen, dass die Gasblase zunächst absinkt. Das heißt, dass sie sich dem Spritzloch nähert. Wird anschließend die Ultraschall-Anregung beendet, steigt die Gasblase auf, wobei sie sich vom Spritzloch in Richtung des Kolbens bewegt.
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Das Absinken der Gasblase während der Ultraschall-Anregung ist insbesondere auf eine Kraft FBjrk („Bjerknes force“) zurückzuführen. Wird die Ultraschall-Anregung beendet, fällt diese Kraft weg und eine Auftriebskraft FBuo („buoyancy force“) führt schließlich dazu, dass die Gasblase in der Schmelze aufsteigt.
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Dadurch, dass beim Entgasen der Kolben aus dem Kompressionsraum herausgezogen und in dieser Position gehalten wird, kann das nach dem Absinken aufsteigende Gas leicht aus dem Kompressionsraum entweichen. Denn durch das Herausziehen des Kolbens wird ein Ringspalt zwischen dem Kolben und einer Führung des Kolbens ausgebildet, so dass sich das aufsteigende Gas nicht durch einen engen Führungsspalt zwischen dem Kolben und der Führung des Kolbens hindurchdrücken muss.
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Durch das Herausziehen des Kolbens aus dem Kompressionsraum wird ferner die Gefahr verringert, dass während des Entgasungsprozesses Schmelze aus dem Spritzloch austritt. Denn bei herausgezogenem Kolben kann kein nennenswerter Druck bzw. Druckimpuls im Kompressionsraum aufgebaut werden. Die Ultraschall-Anregung allein führt in der Regel nicht zu einem unerwünschten Schmelzenausstoß.
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Bevorzugt werden die Ultraschallwellen mit Hilfe des hin- und herbeweglichen Kolbens in die Schmelze eingekoppelt. Der Kolben wird hierzu in eine hochfrequente Schwingung versetzt, vorzugsweise in eine Schwingung von etwa 20 KHz oder mehr. Der Kolben kann dabei eine Beschleunigung von 2.000 g oder mehr erfahren.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Kolben mit Hilfe eines Aktors, beispielsweise mit Hilfe eines magnetostriktiven, piezokeramischen und/oder magnetischen Aktors, in Schwingung versetzt und/oder hin- und herbewegt wird. Sofern der Aktor lediglich dem Hin- und Herbewegen des Kolbens, insbesondere der Realisierung makroskopischer Kolbenhübe, dient, kann ein beliebiger Aktor gewählt werden. Zur Realisierung einer hochfrequenten Kolbenschwingung wird vorzugsweise ein piezokeramischer Aktor eingesetzt, da dieser besonders kleine Hübe und zugleich hohe Kräfte ermöglicht. Vorteilhafterweise werden das Hin- und Herbewegen des Kolbens zum Austragen der Schmelze durch das Spritzloch während der Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks und die hochfrequenten Schwingungen des Kolbens zum Einkoppeln von Ultraschallwellen vor Beginn der Fertigung und/oder in einer Fertigungspause mit demselben Aktor bewirkt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Kolben in einem ersten Schritt vor dem Einkoppeln der Ultraschallwellen aus dem Kompressionsraum herausgezogen. Der Kolben bleibt dabei während des gesamten Entgasungsprozesses in die Schmelze eingetaucht, so dass beim Wiedereinführen des Kolbens in den Kompressionsraum keine Schlacke, die sich üblicherweise auf der Oberfläche der Schmelze, insbesondere Metallschmelze, ausbildet, in den Kompressionsraum gedrückt wird. Dadurch, dass der Kolben während des gesamten Entgasungsprozesses von Schmelze umgeben ist, kann er weiterhin zum Einkoppeln von Ultraschallwellen in die Schmelze genutzt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Kolben in einem zweiten Schritt nach dem Einkoppeln der Ultraschallwellen aus dem Kompressionsraum herausgezogen. Während des Einkoppelns der Ultraschallwellen wird somit der Kompressionsraum weiterhin durch den Kolben begrenzt. Das heißt, dass weniger Masse in eine hochfrequente Schwingung versetzt werden muss. Nach der Ultraschall-Anregung wird dann der Kolben aus dem Kompressionsraum herausgezogen.
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Der genaue Zeitpunkt, wann der Kolben aus dem Kompressionsraum herausgezogen wird, kann somit frei gewählt werden, und zwar unabhängig davon, ob die Ultraschallwellen mit Hilfe des hin- und herbeweglichen Kolbens in die Schmelze eingekoppelt werden oder nicht. Denn beim Herausziehen aus dem Kompressionsraum wird der Kolben nicht vollständig aus der Schmelze herausgezogen, so dass weiterhin eine hochfrequente Schwingung des Kolbens auf die Schmelze übertragbar ist.
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Bevorzugt wird der Kolben beim Herausziehen aus dem Kompressionsraum aus einer Arbeitsposition in eine Entgasungsposition überführt, in welcher der Kolben zumindest im Bereich einer Spitze noch von Schmelze umgeben ist. Die den Kolben umgebende Schmelze ist vorzugsweise in einem oberhalb des Kompressionsraums angeordneten Reservoir aufgenommen. Aus diesem Reservoir kann dem Kompressionsraum stetig frische Schmelze zugeführt werden.
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Die darüber hinaus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung umfasst einen mit einer Schmelze, insbesondere einer Metallschmelze, befüllbaren Kompressionsraum, der einerseits von einem hin- und herbeweglichen Kolben, andererseits von einem Keramikkörper mit einem Spritzloch zum Austragen der Schmelze begrenzt wird. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Aktor, beispielsweise einen magnetostriktiven, piezokeramischen und/oder magnetischen Aktors, mit dessen Hilfe der Kolben in eine hochfrequente Schwingung versetzbar und/oder hin- und herbewegbar ist. Der Kolben weist dabei eine zumindest abschnittsweise konisch geformte Spitze zur Begrenzung des Kompressionsraums auf. Das heißt, dass die Spitze insbesondere kegelförmig oder kegelstumpfförmig geformt sein kann. Die zumindest abschnittsweise konisch geformte Spitze des Kolbens formt einen sich stetig vergrößernden Ringspalt zwischen dem Kolben und der Führung des Kolbens, wenn der Kolben aus dem Kompressionsraum herausgezogen wird. Die Spitze fördert somit ein Aufsteigen der Gasblasen bereits beim Herausziehen des Kolbens aus dem Kompressionsraum. Ferner ermöglicht die Spitze eine langsame Kolbenbewegung, so dass die Gefahr verringert wird, dass es beim Herausziehen des Kolbens zu einem unerwünschten Gaseinzug über das Spritzloch kommt.
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Vorzugsweise ist der Aktor ein piezokeramischer Aktor, mit dessen Hilfe der Kolben sowohl in eine hochfrequente Schwingung versetzbar als auch hin- und herbewegbar ist. In diesem Fall muss nur ein Aktor vorgesehen werden bzw. die Vorrichtung muss nicht um einen zusätzlichen Aktor erweitert werden, um das erfindungsgemäße Verfahren zum Entgasen des Kompressionsraums durchzuführen.
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Das heißt, dass der Aktor bevorzugt hochfrequentfähig ist, so dass der Kolben mit Hilfe des Aktors in hochfrequente Schwingungen ≥ 20 KHz versetzbar ist.
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Vorteilhafterweise ist der Kolben aus Keramik gefertigt und weist somit eine hohe Festigkeit auf. Die Verbindung des Kolbens mit dem Aktor ist vorzugsweise über eine Kolbenstange hergestellt. Die Kolbenstange kann einstückig mit dem Kolben ausgebildet sein. Das heißt, dass in diesem Fall die Kolbenstange ebenfalls aus Keramik gefertigt ist. Alternativ kann die Kolbenstange aber auch ein eigenständiges Bauteil ausbilden, das aus einem anderen Werkstoff als der Kolben gefertigt ist, beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff. Ferner kann die Kolbenstange - je nach Länge - ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Bei einer mehrteiligen Ausführung sollte eine ausreichende Dehnlänge im Verbindungsbereich vorgehalten werden, um ein Lösen der Verbindung aufgrund thermisch bedingter Längenänderungen zu verhindern. Zugleich muss die Verbindung des Kolbens mit dem Aktor ausreichend steif sein, um den Kolben in eine hochfrequente Schwingung versetzen zu können. Zusätzlich können extra starke rückstellende Federn vorgesehen sein, die den Kolben gegen den Aktor vorspannen. Damit die hohen positiven wie negativen Beschleunigungen nicht zu unzulässigen Spannungen im Kolben führen, sollte darauf geachtet werden, dass nur Druckspannungen keine Zugspannungen in die Keramik eingeleitet werden. Ferner sollte auf scharfe Kanten, insbesondere auf ein Gewinde, im Krafteinleitungsbereich verzichtet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer Schmelze,
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 und
- 3 eine schematische Darstellung der Kräfte, die auf eine Gasblase innerhalb einer Flüssigkeit wirken.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Den 1 und 2 ist beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer Schmelze 1, insbesondere aus einer Metallschmelze, zu entnehmen. Bei der Vorrichtung handelt es sich um einen 3D-Drucker bzw. um einen Druckkopf eines 3D-Druckers.
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Bestandteile der Vorrichtung sind ein hin- und herbeweglicher Kolben 3, der einen Kompressionsraum 2 begrenzt. Der Kompressionsraum 2 ist mit der Schmelze 1 gefüllt. Durch die Hin- und Herbewegungen des Kolbens 3 werden Druckpulse erzeugt, die dazu führen, dass ein Teil der Schmelze 1 über ein Spritzloch 4 ausgetragen wird, das in einem den Kompressionsraum 2 begrenzenden Keramikkörper 8 ausgebildet ist. Der Keramikkörper 8, der vorliegend plattenförmig ausgebildet ist, ist über eine Spannhülse 14 mit einem hohlzylinderförmigen Gehäuseteil 15 verbunden, das den Kompressionsraum 2 in radialer Richtung begrenzt und zugleich eine Führung 5 für den Kolben 3 ausbildet.
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Das im Keramikkörper 8 ausgebildete Spritzloch 4 weist einen Durchmesser D auf, der kleiner als 500 µm ist. Das heißt, dass ein deutlicher Druckpuls erforderlich ist, um die Schmelze 1 durch das enge Spritzloch 4 zu drücken. Der Druckpuls wird mit Hilfe des Kolbens 3 erzeugt, der hierzu über eine ein- oder mehrteilige Kolbenstange 11 mit einem piezokeramischen Aktor 6 verbunden ist. Über mindestens eine Feder 12 sind die Kolbenstange 11 und der Kolben 3 gegen den Aktor 6 vorgespannt. Der Kolben 3 und Kolbenstange 11 können ferner als ein Vollkolben ausgeführt sein (nicht dargestellt).
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Beim Austreten der Schmelze 1 aus dem Spritzloch 4 kommt es zur Ausbildung diskreter Tropfen, die an der Unterseite des Keramikkörpers 8 abreißen und sich im Freifall auf einen Werkstückträger (nicht dargestellt) zubewegen. Die Falllinie im Freifall entspricht dabei idealerweise der Längsachse des Spritzlochs 4, um ein genaue Platzierung der Tropfen auf dem Werkstückträger zu ermöglichen. Das zu fertigende dreidimensionale Werkstück wird somit Tropfen für Tropfen auf dem Werkstückträger aufgebaut.
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Um die Schmelze 1 über das Spritzloch 4 aus dem Kompressionsraum 2 zu pressen, muss ein ausreichend hoher Druck bzw. Druckpuls aufgebaut werden. Dies ist nur möglich, wenn im Kompressionsraum 2 kein stark kompressibles Medium, wie beispielsweise Luft, vorhanden ist. Im Betrieb der Vorrichtung kann es jedoch dazu kommen, dass Gas von außen über das Spritzloch 4 angesaugt wird und somit unter den Kolben 3 gelangt. Diese Luft gilt es vor Inbetriebnahme der Vorrichtung aus dem Kompressionsraum 2 zu entfernern.
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Das heißt, dass - gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren - vor Beginn der eigentlichen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks der Kompressionsraum 2 entgast wird. Hierzu wird zunächst der Kolben 3 in eine hochfrequente Schwingung versetzt, über die Ultraschallwellen in die Schmelze 1 eingekoppelt werden. Die Schmelze 1 überträgt die Schwingungen auf das eingeschlossene Gas, so dass dieses als Gasblase 10 bzw. Gasblasen 10 in der Schmelze 1 absinkt. Das Absinken ist auf eine Kraft FBjrk zurückzuführen, die auf die Gasblase wirkt, und zwar entgegengesetzt zu einer Auftriebskraft FBou. Zugleich lösen sich etwaige an der Innenumfangsfläche des Gehäuseteils 15 anhaftende Gasblasen 10, die somit ebenfalls absinken. Wird die Ultraschall-Anregung beendet, führt die Auftriebskraft FBuo dazu, dass die Gasblasen 10 aufsteigen. Spätestens mit der Beendigung der Ultraschall-Anregung wird der Kolben 3 aus dem Kompressionsraum 2 herausgezogen (siehe Pfeil in der 1) und somit aus einer Arbeitsposition in eine Entgasungsposition überführt (siehe gestrichelte Linie in der 1 bzw. Kolbenposition in der 2). Der herausgezogene Kolben 3 ermöglicht ein Aufsteigen der Gasblasen 10 aus dem Kompressionsraum 2 in ein oberhalb des Kompressionsraums 2 angeordnetes Reservoir 13, das zumindest teilweise ebenfalls mit Schmelze 1 gefüllt ist. Der Austrag der Gasblasen 10 erfolgt dabei über einen Ringspalt 7, der sich zwischen dem Kolben 3 und der Führung 5 ausbildet, wenn der Kolben 3 aus dem Kompressionsraum 2 herausgezogen wird. Da vorliegend der Kolben 3 eine konisch geformte Spitze 9 aufweist, vergrößert sich der Ringspalt 7 beim Herausziehen des Kolbens 3 stetig. Das Austragen der Gasblasen 10 wird somit durch die konisch geformte Spitze 9 des Kolbens 3 begünstigt.
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In der 3 sind beispielhaft die Kräfte dargestellt, die während der Einkopplung von Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit auf eine in der Flüssigkeit eingeschlossene Gasblase 10 wirken. Zunächst wirkt eine Auftriebskraft FBuo („buoyancy force“), die ohne Ultraschall-Anregung dazu führen würde, dass die Gasblase 10 in der Flüssigkeit aufsteigt. Entgegengesetzt zur Auftriebskraft FBou, wirken eine Kraft FD („drag force“) und eine Kraft FBjrk („Bjerknes force“), die gemeinsam größer als die Auftriebskraft FBou sind, so dass die Gasblase 10 in der Flüssigkeit absinkt.
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Dieses Phänomen macht sich die vorliegende Erfindung zunutze, wobei zum abschließenden Austragen der Gasblasen 10 aus dem Kompressionsraum 2 lediglich die Auftriebskraft FBou genutzt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016224047 A1 [0003]
