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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Werkstücks, wie letztere im Rahmen einer 3D-Druckeinrichtung verwendet wird und zur Verarbeitung von Kunststoff oder Metall als Ausgangsmaterial geeignet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Werkstück, das mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt wurde.
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Stand der Technik
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Ein Verfahren zum generativen Herstellen eines Werkstücks mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2010 044 268 A1 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird ein verflüssigter und unter hohem Druck stehender Kunststoff über eine düsenartige Öffnung einer Auftragseinrichtung ausgeschieden. Dabei ist die Öffnung der Auftragseinrichtung in Form einer getakteten Blende ausgebildet, d.h., dass diese mittels beispielsweise eines Verschlusselements taktweise geöffnet und verschlossen werden kann, um während der Öffnungsphase jeweils eine bestimmte Menge des Materials auszustoßen. Weiterhin ist es in der Schrift erwähnt, dass der Druck des Materials üblicherweise etwa 1000bar beträgt, bei einer Temperatur von bis zu 450°C bei der Verwendung von Kunststoff. Die blendenartige Öffnung der Auftragseinrichtung soll eine Größe von weniger als 0,1mm aufweisen, bei einer Verschlusszeit von weniger als 0,001 Sekunden. Weiterhin zeichnet sich das aus der genannten Schrift bekannte Verfahren dadurch aus, dass zur Beschleunigung bzw. Sicherstellung der Tropfenbildung beim Ausstoßen des Materials aus der Auftragseinrichtung diese gleichzeitig in Bezug zum Bauteil von diesem wegbewegt wird. Das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren bzw. dessen Vorrichtung ist daher insgesamt gesehen relativ komplex aufgebaut, insbesondere durch die Anforderungen hinsichtlich des taktweisen Ausstoßens der verflüssigten (Kunststoff-)Schmelze im Zusammenhang mit der Blende und der Relativbewegung zwischen Auftragseinrichtung und Werkstück.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum generativen Herstellen eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es hinsichtlich der Ausgestaltung der Vorrichtung einen Aufbau der Vorrichtung ermöglicht, der gegenüber dem Stand der Technik wesentlich vereinfacht ist. Darüber hinaus wird durch das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch die Bildung von Tropfen sichergestellt, ohne dass hierzu die Auftragseinrichtung bewegt bzw. die blendenartige Öffnung der Auftragseinrichtung verschlossen werden muss.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die zum Ausstoßen des Materials aus der blendenartigen Öffnung der Auftragseinrichtung benötigte kinetische Energie des Materials durch eine schlagartige Druckerhöhung zu erzielen, bei der Druckwellen in dem Material erzeugt werden, die das Material aus der blendenartigen Öffnung ausstoßen. Dadurch, dass eine schlagartige Druckerhöhung im Material stattfindet, erfolgt auch keine kontinuierliche Austragung des Materials, sondern ein stoßweises Ausscheiden mit einer gewünschten Tropfenbildung beim Ausscheiden aus der Auftragseinrichtung. Dieses Verhalten wird auch als „drop on demand“ bezeichnet.
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Daher schlägt es die Lehre der Erfindung vor, dass der Druck des Materials zum Ausstoßen durch die blendenartige Öffnung der Vorrichtung schlagartig erzeugt wird, indem durch Einwirkung einer hochenergetischen Strahlung in dem Material ein Plasma erzeugt wird. Die Bildung des Plasmas ist dabei einhergehend mit einer schlagartigen Expansion des Materials und einem anschließenden Kollabieren der vorher entstandenen Dampfblase, sodass eine weitere bzw. zweite Stoß- bzw. Druckwelle erzeugt wird. Der bei der Expansion bzw. Dampfblasenbildung erzeugte Druck beträgt dabei ebenso wie der nach der nachfolgenden Kollabierung erzeugte Druck der zweiten Stoß- bzw. Druckwelle jeweils typischerweise mehrere 1000bar. Dabei verläuft der gesamte Blasenzyklus im Mikrosekundenbereich ab.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum generativen Herstellen eines Werkstücks sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Um einerseits eine möglichst genaue Dosierung des Materials sowie kleine Tropfen zu gewährleisten, und um andererseits die thermische und mechanische Belastung der Auftragseinrichtung durch die schlagartige Druck- und Temperaturerhöhung des Materials zu minimieren, ist es bevorzugt vorgesehen, dass die hochenergetische Strahlung taktweise auf das Material einwirkt.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die hochenergetische Strahlung nahe der blendenartigen Öffnung der Auftragseinrichtung auf das Material einwirkt. Dadurch wird eine gezielte Orientierung der Druckwellen erleichtert. Weiterhin werden ggf. innerhalb der Auftragseinrichtung erzeugte Reflektionen der Druckwellen, die zu einer Minderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Materials in Richtung der blendenartigen Öffnung oder einer Ablenkung des Materials führen, verringert bzw. vermieden.
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Hinsichtlich der hochenergetischen Strahlung gibt es mehrere Möglichkeiten, die je nach Anwendungsfall bzw. Material sinnvoll gewählt werden können. In einer ersten Variante des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die hochenergetische Strahlung ein Laserstrahl ist. In diesem Fall muss sichergestellt sein, dass die Wellenlänge des Laserstrahls derart auf das Material abgestimmt ist, dass eine Absorption des Laserstrahls bzw. dessen Energie durch das Material erfolgt, sodass die schlagartige Temperatur- bzw. Druckerhöhung möglichst ausschließlich im Material selbst erfolgt.
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Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die hochenergetische Strahlung durch eine Funkenentladung zwischen zwei Polen einer Spannungsquelle erzeugt wird, wobei sich Material zwischen den Spannungspolen befindet. Eine derartige Funkenentladung ist hinsichtlich der Anpassung an zu verarbeitende Materialien in der Regel einfach durchzuführen bzw. dieses Verfahren ist auch für unterschiedliche Materialien einsetzbar, ohne dass hierzu spezielle Anpassungen erforderlich sind. Es muss lediglich durch eine entsprechend Geometrie bzw. einen entsprechenden geringen Abstand zwischen den Polen eine Funkenentladung bzw. ein Funkendurchschlag mit einer entsprechenden Druck- und Temperaturerhöhung im Material zur Plasmabildung gewährleistet werden.
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Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darüber hinaus, dass dieses grundsätzlich sowohl für Kunststoffe, als auch für Metalle einsetzbar ist.
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Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zum Durchführen eines soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend eine Auftragseinrichtung mit einem Speicherraum für das Material, eine den Speicherraum begrenzende, blendenartige Öffnung und Mittel zum Erzeugen einer hochenergetischen Strahlung, wobei die Mittel so angeordnet bzw. ausgerichtet sind, dass durch die hochenergetische Strahlung in dem Material eine Plasmabildung erzeugbar ist.
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Zuletzt umfasst die Erfindung auch ein Werkstück, das mittels eines soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung hergestellt ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Werkstücks unter Verwendung einer Laserstrahlquelle in einer vereinfachten Darstellung und
- 2 eine gegenüber 1 modifizierte Vorrichtung, bei der eine hochenergetische Strahlung mittels Funkenentladung erzeugt wird.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist eine erste Vorrichtung 10 zum generativen Herstellen eines Werkstücks 1 stark vereinfacht dargestellt. Das Werkstück 1 ist auf einem Werkstückträger 2 angeordnet und wird durch schicht- bzw. lagenartigen Aufbau durch in Form von (flüssigen) Tropfen 3 auf das Werkstück 1 aufgebrachtes und anschließend erstarrtes Material M gebildet. Bei dem Material M kann es sich entweder um Kunststoff oder aber um Metall handeln. Beispielhaft ist der Werkstückträger 2 zusammen mit dem Werkstück 1 in der Ebene des Werkstückträgers 2 zumindest in x- und y-Richtung beweglich ausgebildet, wie dies an sich aus dem Stand der Technik bekannt und daher nicht näher erläutert wird, wobei die y-Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 1 verläuft.
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Die Vorrichtung 10 umfasst eine Auftragseinrichtung 12 mit einem Speicherraum 14 für das Material M. Der Speicherraum 14, der von einem Gehäuse 16 der Auftragseinrichtung 12 begrenzt ist, ist über eine Leitung 18 mit einem Vorratsspeicher 20 für das Material M verbunden. Innerhalb des Speicherraums 14 ist das Material M in verflüssigter Form angeordnet, d.h., dass die Temperatur des Materials M wenigstens dessen Schmelztemperatur entspricht. Hierzu können beispielsweise nicht dargestellte Heizeinrichtungen im Bereich des Speicherraums 14 und/oder der Leitung 18 und/oder des Vorratsspeichers 20 dienen.
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Das Gehäuse 16 der Vorrichtung 10 umfasst auf der dem Werkstückträger 2 zugewandten Seite eine blendenartige Öffnung 22, aus der das Material M in Form von einzelnen Tropfen 3 ausgestoßen wird.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung 10 Mittel 24 zum Erzeugen einer hochenergetischen Strahlung. Hierzu weist die Vorrichtung 10 eine Laserstrahleinrichtung 26 auf, deren Laserstrahl 5 die hochenergetische Strahlung darstellt, die auf das Material M in dem Speicherraum 14 ausgerichtet ist. Insbesondere ist der Laserstrahl 5 in einem der blendenartigen Öffnung 22 nahen Bereich fokussiert. Um ein Eindringen bzw. Durchdringen des Laserstrahls 5 in den Speicherraum 14 zu ermöglichen, weist das Gehäuse 16 auf der der Laserstrahleinrichtung 26 bzw. dem Laserstrahl 5 zugewandten Seite beispielhaft eine für den Laserstrahl 5 transparente Wand 28, z.B. aus Glas bestehend, auf. Weiterhin ist wesentlich, dass die Wellenlänge λ des Laserstrahls 5 derart auf das Material M im Speicherraum 14 abgestimmt ist, dass das Material M die Energie des Laserstrahls 5 möglichst vollständig absorbiert, d.h. für den Laserstrahl 5 möglichst undurchlässig ist. Der Laserstrahl 5 bzw. die Laserstrahleinrichtung 26 werden getaktet betrieben, wobei die Frequenz f vorzugsweise im Bereich von etwa 1kHz liegt.
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Beim Betrieb der Vorrichtung 10 bzw. der Laserstrahleinrichtung 26 wird durch die Einwirkung des Laserstrahls 5 in dem Material M nahe der blendenartigen Öffnung 22 eine schlagartige Temperatur- und Druckerhöhung erzeugt, die zur Bildung eines Plasmas führt. Dies ist verbunden mit einer sich kugelförmig ausbildenden Dampfblase im Material M, die anschließend sofort wieder kollabiert und eine weitere Schock- bzw. Druckwelle zur Folge hat. Dabei beträgt der in den Schock- bzw. Druckwellen bzw. der Dampfblase erzeugte Druck p typischerweise mehrere 1000bar. Dadurch wird das im Bereich der blendenartigen Öffnung 22 befindliche Material M schlagartig durch die Öffnung 22 ausgestoßen bzw. verdrängt, wobei sich in gewünschter Art und Weise jeweils Tropfen 3 ausbilden.
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In der 2 ist eine gegenüber der 1 abgewandelte zweite Vorrichtung 10a dargestellt. Die Vorrichtung 10a unterscheidet sich von der Vorrichtung 10 im Wesentlichen dadurch, dass die Mittel 24 nicht durch eine Laserstrahleinrichtung 26 bzw. einen Laserstrahl 5 gebildet sind, sondern dass die hochenergetische Strahlung durch eine Funkenentladung 6 gebildet ist. Die Funkenentladung 6 wird dadurch erzeugt, dass die Mittel 24 zwei verschiedene Pole 31, 32 aufweisen, die mit einer Spannungsquelle 35 zur Zwischenschaltung einer Steuerung 36 verbunden sind. Der Energieeintrag in das Material M wird durch Funkenüberschlag zwischen den beiden Polen 31, 32 erzeugt, wobei der Abstand a zwischen den Polen 31, 32 derart auf das Material M abgestimmt sein muss, dass ein elektrischer Durchschlag bzw. eine Funkenentladung 6 stattfinden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Pole 31, 32 nahe der blendenartigen Öffnung 22 des Gehäuses 16a angeordnet, wobei zwischen den Polen 31, 32 und der Öffnung 22 ein Kanal 38 im Gehäuse 16a ausgebildet ist. Die Steuerung 35 bewirkt ebenso wie die Laserstrahleinrichtung 26 einen taktweisen Energieeintrag in das Material M zur Plasmabildung, wobei sich ähnlich wie bei der Vorrichtung 10 zwei Druckwellen ausbilden, die erste Druckwelle infolge der Blasenbildung des Materials M, und die zweite Druckwelle nach anschließender Kollabierung der Dampfblase.
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Die soweit beschriebene Vorrichtung 10, 10a kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere sind andere konstruktive Gestaltungen der Auftragseinrichtung 12 bzw. der blendenartigen Öffnung 22 denkbar. So können beispielsweise auch düsenartige Blendenöffnungen bzw. Gehäuse 16 verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010044268 A1 [0002]
