DE102019209643A1

DE102019209643A1 - Print head for 3D printing of metals

Info

Publication number: DE102019209643A1
Application number: DE102019209643.3A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Maier; Viktor Friedrich; Benjamin Schweizer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2021-01-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf (1) für einen 3D-Drucker, insbesondere Metalldrucker, umfassend ein Gehäuse (3), eine Vorrichtung (28) zur Zuführung eines Metalls (14), einen Kolben (5), ein Reservoir (7, 27) mit einer Austrittsöffnung (10) und eine Aktorvorrichtung (12) zur Verschiebung des Kolbens (5), wobei das Reservoir (7, 27) einen Schmelzbereich (20) und einen Verdrängerraum (21) für eine flüssige Phase (8) des Metalls (14) aufweist, wobei der Schmelzbereich (20) an einer inerten Atmosphäre (22) angrenzt und mit dem Verdrängerraum (21) derart verbunden ist, dass durch die Verschiebung des Kolbens (5) die flüssige Phase (8) des Metalls (14) zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung (10) anregbar ist, wobei das Gehäuse (3) mehrteilig ausgebildet ist und es zumindest einen Kühlflansch (25), eine Isolierplatte (26) und das Reservoir (7, 27) umfasst.Sie zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Kühlflansch (25) und der Isolierplatte (26) eine Kühlplatte (40) angeordnet ist.Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines Druckkopfs (1).The invention relates to a print head (1) for a 3D printer, in particular a metal printer, comprising a housing (3), a device (28) for supplying a metal (14), a piston (5), a reservoir (7, 27) with an outlet opening (10) and an actuator device (12) for displacing the piston (5), the reservoir (7, 27) having a melting area (20) and a displacement space (21) for a liquid phase (8) of the metal (14 ), wherein the melting area (20) adjoins an inert atmosphere (22) and is connected to the displacement chamber (21) in such a way that the displacement of the piston (5) allows the liquid phase (8) of the metal (14) to pass can be excited through the outlet opening (10), the housing (3) being constructed in several parts and comprising at least one cooling flange (25), an insulating plate (26) and the reservoir (7, 27). It is characterized in that between a cooling plate (40) is arranged on the cooling flange (25) and the insulating plate (26). The invention also relates to a method for starting up a print head (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, der zum Drucken von Metallen geeignet ist, sowie ein Verfahren zur Inbetriebnahme des Druckkopfs.The invention relates to a print head for a 3D printer, which is suitable for printing metals, and a method for starting up the print head.

Stand der TechnikState of the art

Ein 3D-Drucker für ein thermoplastisches Material erhält eine feste Phase dieses Materials als Ausgangsmaterial, erzeugt daraus eine flüssige Phase und bringt diese flüssige Phase selektiv an den Stellen, die zu dem zu erzeugenden Objekt gehören, auf. Ein solcher 3D-Drucker umfasst einen Druckkopf, in den das Ausgangsmaterial geschmolzen wird. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, vorgesehen. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.A 3D printer for a thermoplastic material receives a solid phase of this material as a starting material, creates a liquid phase from it and applies this liquid phase selectively to the points that belong to the object to be created. Such a 3D printer includes a print head into which the starting material is melted. Means for generating a relative movement between the print head and the work surface on which the object is to be created are also provided. Either only the print head, only the work surface or both the print head and the work surface can be moved.

Der Druckkopf hat einen ersten Betriebszustand, in dem flüssiges Material aus ihm austritt, und einen zweiten Betriebszustand, in dem kein flüssiges Material aus ihm austritt. Der zweite Betriebszustand wird beispielsweise dann eingenommen, wenn eine andere Position auf der Arbeitsfläche angefahren werden und auf dem Weg dorthin kein Material deponiert werden soll. Zwischen den beiden Betriebszuständen des Druckkopfes kann beispielsweise umgeschaltet werden, indem der Vortrieb des festen Ausgangsmaterials ein- bzw. ausgeschaltet wird.The print head has a first operating state in which liquid material emerges from it, and a second operating state in which no liquid material emerges from it. The second operating state is assumed, for example, when a different position is approached on the work surface and no material is to be deposited on the way there. It is possible, for example, to switch between the two operating states of the print head by switching the propulsion of the solid starting material on or off.

Gegenüber thermoplastischen Kunststoffen haben Metalle einen wesentlich höheren Schmelzpunkt und zugleich im flüssigen Zustand eine wesentlich geringere Viskosität.Compared to thermoplastics, metals have a much higher melting point and, at the same time, a much lower viscosity in the liquid state.

3D-Metalldrucker, insbesondere Drop-on-Demand-Drucker, wie beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2016 224 047 A1 offenbart, sind für Industrieanwendungen interessant, müssen jedoch unter anderem folgenden Anforderungen gerecht werden:

• Gewährleistung eines dauerhaften Betriebs,
• Reproduzierbarkeit der Tropfen, bzw. des Aufbaus des Bauteils,
• Energieeffizienz bezüglich der Erschmelzung und der Bauteilerstellung,
• Einhalten von geringen Nebenzeiten z.B. zur Inbetriebnahme und beim Abschalten und
• Austausch von Verschleißteilen.

3D metal printers, in particular drop-on-demand printers, as for example in the laid-open specification DE 10 2016 224 047 A1 are of interest for industrial applications, but must meet the following requirements, among others:

• guarantee of permanent operation,
• Reproducibility of the drops or the structure of the component,
• Energy efficiency in terms of melting and component production,
• Compliance with low idle times, eg for commissioning and when switching off and
• Replacement of wearing parts.

Ferner sehen Kühlkonzepte vor, dass ausschließlich der Aktor zur Tröpfchenerzeugung mit einer Kühlung versehen ist. Bei dieser Kühlstrategie, welche nur die Kühlung des Aktors beinhaltet, wird die Wärme von den von der Wärmequelle (Schmelze) aus kontaktbehafteten Komponenten nicht gezielt abgeführt. Die Wärme kann sich nachteilig entsprechend stauen und strahlt durch Konvektion an ihre Umgebung ab. Dies kann als sicherheitsrelevanter Aspekt angesehen werden, da es beispielsweise zu einer Verbrennungsgefahr oder einer unzulässig hohen Erwärmung der umliegenden Elektrokomponenten kommen kann, wodurch beispielsweise Kunststoff sowie Kabelleitungen zerstört werden können.
Darüber hinaus wird für die Adaptierung des Aktors die Verwendung der Materialien eingeschränkt, da schlecht wärmeleitende Materialien zu bevorzugen sind um den Wärmetransport zu hemmen. Die Aktoren haben in den meisten Fällen einen Temperaturarbeitsbereich <150°C, der nicht überschritten werden sollteFurthermore, cooling concepts provide that only the actuator for generating droplets is provided with cooling. With this cooling strategy, which only includes the cooling of the actuator, the heat from the components with contact from the heat source (melt) is not specifically dissipated. The heat can detrimentally accumulate accordingly and radiate into its surroundings by convection. This can be viewed as a safety-relevant aspect, since there may be a risk of burns or an impermissibly high level of heating of the surrounding electrical components, which can destroy plastic and cable lines, for example.
In addition, the use of materials for adapting the actuator is restricted, since poorly thermally conductive materials are to be preferred in order to inhibit heat transport. In most cases, the actuators have a working temperature range of <150 ° C, which should not be exceeded

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckkopf bereit zu stellen, der industriell einsetzbar und dessen Kühlsystem effizient ausgestaltet ist.The object of the invention is to provide a print head which can be used industrially and whose cooling system is designed to be efficient.

Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Druckkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Inbetriebnahme des Druckkopfs gemäß Anspruch 12 erfüllt.The object is achieved by the print head according to the invention with the features of claim 1 and the method according to the invention for starting up the print head according to claim 12.

Der erfindungsgemäße Druckkopf für einen 3D-Drucker, insbesondere Metalldrucker, umfasst ein Gehäuse, eine Vorrichtung zur Zuführung eines Metalls, einen Kolben, ein Reservoir mit einer Austrittsöffnung und eine Aktorvorrichtung zur Verschiebung des Kolbens, wobei das Reservoir einen Schmelzbereich und einen Verdrängerraum für eine flüssige Phase des Metalls aufweist, wobei der Schmelzbereich an einer inerten Atmosphäre angrenzt und mit dem Verdrängerraum derart verbunden ist, dass durch die Verschiebung des Kolbens die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregbar ist. Ferner ist das Gehäuse mehrteilig ausgebildet, wobei es zumindest einen Kühlflansch, eine Isolierplatte und das Reservoir umfasst. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Kühlflansch und der Isolierplatte eine Kühlplatte angeordnet.The print head according to the invention for a 3D printer, in particular a metal printer, comprises a housing, a device for feeding a metal, a piston, a reservoir with an outlet opening and an actuator device for moving the piston, the reservoir having a melting area and a displacement space for a liquid Phase of the metal, wherein the melting area adjoins an inert atmosphere and is connected to the displacement chamber in such a way that the displacement of the piston can stimulate the liquid phase of the metal to pass through the outlet opening. Furthermore, the housing is constructed in several parts, it comprising at least one cooling flange, an insulating plate and the reservoir. According to the invention, a cooling plate is arranged between the cooling flange and the insulating plate.

Der Schmelzbereich grenzt in vorteilhafter Weise an eine inerte Atmosphäre an. Dadurch wird sichergestellt, dass der Druck auf der Schmelze nahezu konstant ist, so dass dieser keine Auswirkung auf die Druckqualität hat. Ferner sorgt die inerte Atmosphäre dafür, dass keine ungewünschte chemische Reaktion im Reservoir stattfindet. Beispielsweise kann die inerte Atmosphäre aus Stickstoff oder einem anderen Inertgas gebildet sein.
Das Reservoir weist in vorteilhafter Weise den Schmelzbereich zum Schmelzen des Metalls, wobei dieser an der inerten Atmosphäre angrenzt und zusätzlich den Verdrängerraum auf. Dadurch ist es möglich den Schmelzvorgang räumlich von dem Verdränger-, bzw. Druckvorgang zu trennen, wodurch die Reproduzierbarkeit der Tropfen, bzw. eines Bauteils verbessert wird. Dabei ist in vorteilhafter Weise die im Verdrängerraum vorhandene flüssige Phase des Metalls durch die Verschiebung des Kolbens zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregbar. Der Kolben liegt dabei vorteilhaft direkt auf der Schmelze auf, wodurch die Genauigkeit des Druckens weiter zunimmt, da die Schmelze nahezu inkompressibel ist. Die Schmelze, bzw. flüssige Phase des Metalls gelangt entweder über Schweredruck oder über eine Kombination des Schweredrucks und des Atmosphärendrucks des Inertgases vom Schmelzbereich in den Verdrängerraum. Die Austrittsöffnung entspricht einer Düse und ist je nach Aufbau des Reservoirs austauschbar.
Das Gehäuse ist in vorteilhafter Weise mehrteilig ausgebildet, wodurch ein geeignetes Temperaturmanagement und durch den Einsatz von verschiedenen Materialien ein dauerhafter Betrieb gewährleistet ist. Durch die mehrteilige Ausführung ist zudem ein modularer Aufbau gegeben, der einen bedarfsgerechten Austausch der Komponenten erlaubt. Zusätzlich ist der Druckkopf durch das mehrteilige Gehäuse derart ausgeführt, dass die unterschiedlichen Funktionen auch durch unterschiedliche Bauteile ausgeführt sind.
Der Wärmefluss vom beispielsweise 1000°C heißen Tiegel wird zunächst durch einen durch die Isolierplatte gebildeten Isolator unterbrochen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise der Wärmetransport, bzw. Verlust erheblich reduziert.The melting range is advantageously adjacent to an inert atmosphere. This ensures that the pressure on the melt is almost constant so that it has no effect on the print quality. The inert atmosphere also ensures that no undesired chemical reaction takes place in the reservoir. For example, the inert atmosphere can be formed from nitrogen or another inert gas.
The reservoir advantageously has the melting area for melting the metal, this being adjacent to the inert atmosphere and additionally the displacement space. This makes it possible to spatially separate the melting process from the displacement or printing process, which improves the reproducibility of the droplets or of a component. In this case, the liquid phase of the metal present in the displacement space can advantageously be excited by the displacement of the piston to pass through the outlet opening. The piston advantageously rests directly on the melt, which further increases the accuracy of the printing, since the melt is almost incompressible. The melt or liquid phase of the metal reaches the displacement chamber either via gravity pressure or a combination of gravity pressure and the atmospheric pressure of the inert gas from the melting area. The outlet opening corresponds to a nozzle and can be exchanged depending on the structure of the reservoir.
The housing is advantageously constructed in several parts, which ensures suitable temperature management and long-term operation through the use of different materials. The multi-part design also provides a modular structure that allows components to be exchanged as required. In addition, the multi-part housing means that the printhead is designed in such a way that the different functions are also performed by different components.
The heat flow from the crucible, which has a temperature of 1000 ° C., for example, is first interrupted by an insulator formed by the insulating plate. As a result, the heat transport or loss is considerably reduced in an advantageous manner.

In einer Weiterbildung weist der Kühlflansch an seiner zur Kühlplatte gewandten Seite Kühlkanäle zur Kühlung des Kühlflanschs und Ausnehmungen zur Aufnahme von Dichtmitteln auf. Die Kühlkanäle sind in einer Weiterbildung meanderförmig ausgebildet. Ferner sind die Kühlkanäle zur Aufnahme von Kühlmedium, insbesondere von Kühlwasser ausgebildet.In a development, the cooling flange has cooling channels for cooling the cooling flange and recesses for receiving sealing means on its side facing the cooling plate. In a further development, the cooling channels are designed in a meander shape. Furthermore, the cooling channels are designed to receive cooling medium, in particular cooling water.

Die Kühlkanäle sorgen in vorteilhafter Weise für ein geeignetes Temperaturmanagement im Kühlflansch und im Gehäuse wodurch die Aktorvorrichtung einerseits vor der von der Schmelze ausgehenden Temperatur geschützt und andererseits durch Aufheizen im Betrieb des Aktors abgekühlt wird. Die Kühlung durch die Kühlkanäle sorgt so für eine geeignete Temperatur und einen dauerhaften Betrieb des Druckkopfs. Das Temperaturmanagement sorgt für einen reduzierten Energieeinsatz.
Die Anordnung der Kühlkanäle im Kühlflansch sorgen in vorteilhafter Weise für eine aktive Kühlung, die großflächig die Wärme abführt. Somit ist ein Schutz geben Wärmestau und Konvektion gegeben. Die Wasserkühlung kann bei Bedarf geregelt werden.The cooling channels advantageously ensure suitable temperature management in the cooling flange and in the housing, whereby the actuator device is on the one hand protected from the temperature emanating from the melt and on the other hand is cooled by heating during operation of the actuator. The cooling through the cooling channels ensures a suitable temperature and permanent operation of the printhead. The temperature management ensures a reduced energy consumption.
The arrangement of the cooling channels in the cooling flange advantageously ensures active cooling, which dissipates the heat over a large area. This gives protection against heat build-up and convection. The water cooling can be regulated if necessary.

Die in der Aktorbaugruppe verbauten Komponenten erfahren dadurch in vorteilhafter Weise eine reduzierte Wärmebeeinflussung und strahlen weniger Wärme an ihre Umgebung ab. Des Weiteren können beim Einsatz der Werkstoffe einfache Materialien verwendet werden, die vielfach gut wärmeleitend sein dürfen, was wiederum in vorteilhafter Weise einen Kostenvorteil mit sich bringt.
Die Kühlkanäle sind möglichst über die gesamte Kontaktfläche zur Kühlplatte eingearbeitet. Dadurch ist in vorteilhafter Weise ein hoher Wärmeabtransport gesichert.
Die Dichtmittel sorgen in vorteilhafter Weise für eine Abdichtung des Kühlsystems nach außen.The components built into the actuator assembly thus advantageously experience a reduced heat influence and radiate less heat to their surroundings. Furthermore, when using the materials, simple materials can be used, which in many cases may have good thermal conductivity, which in turn advantageously has a cost advantage.
The cooling channels are incorporated as far as possible over the entire contact surface with the cooling plate. A high level of heat dissipation is thereby ensured in an advantageous manner.
The sealing means advantageously ensure that the cooling system is sealed off from the outside.

In einer Weiterbildung weist der Kühlflansch eine Öffnung zur Durchführung des Kolbens auf, an der die Ausnehmung zur Aufnahme eines Dichtmittels zur Abdichtung des Druckkopfinnenraums, angeordnet ist. Dadurch werden in vorteilhafter Weise auch Durchbrüche im Inneren des Druckkopfes abgedichtet.In a further development, the cooling flange has an opening for the passage of the piston, on which the recess for receiving a sealant for sealing the interior of the print head is arranged. As a result, openings in the interior of the print head are also sealed in an advantageous manner.

Ferner ist es Vorteil, wenn die Dichtmittel O-Ringe sind.It is also advantageous if the sealing means are O-rings.

In einer Weiterbildung weist die Kühlplatte an ihrer zur Isolierplatte zugewandten Seite Kanäle zur Reduzierung der Kontaktfläche zwischen der Kühlplatte und der Isolierplatte auf.
Dadurch wird der Wärmefluss über die Isolierplatte, bzw. den Isolator begrenzt, was sich in vorteilhafter Weise energetisch positiv auf das Gesamtsystem auswirkt. Zusätzlich kann dadurch in vorteilhafter Weise die Wärmeübertragung vom Isolator auf den Kühlflansch reduziert werden. Das Resultat ist eine reduzierte Wärmeleitung.In a further development, the cooling plate has channels on its side facing the insulating plate to reduce the contact area between the cooling plate and the insulating plate.
This limits the heat flow through the insulating plate or the insulator, which has an advantageous energetic positive effect on the overall system. In addition, the heat transfer from the insulator to the cooling flange can thereby be advantageously reduced. The result is reduced heat conduction.

Die Fläche der Kanäle weist bevorzugt mehr als 50 Prozent der Gesamtfläche der Kühlplatte auf.The area of the channels preferably comprises more than 50 percent of the total area of the cooling plate.

In einer Weiterbildung sind der Kühlflansch und die Kühlplatte aus einem metallischen Werkstoff gebildet. Der metallische Werkstoff ist derart gewählt, dass er in vorteilhafter Weise den mechanischen und thermischen Belastungen des Druckkopfs genügt.In a further development, the cooling flange and the cooling plate are formed from a metallic material. The metallic material is selected in such a way that it advantageously meets the mechanical and thermal loads on the print head.

In einer Weiterbildung ist die Isolierplatte in vorteilhafter Weise aus einem wärmeisolierenden Material gebildet und derart ausgebildet ist, dass sie einen Wärmeübergang vom Reservoir zur Kühlplatte vermindert. Der Einsatz der Isolierplatte ermöglicht ein geeignetes Temperaturmanagement und einen dauerhaften Betrieb des Druckkopfs. Ferner reduziert die Isolation den Energieeinsatz und vereinfacht die Temperaturregelung des Druckkopfs. Die Isolierplatte ist beispielsweise aus einer Keramik mit geringer thermischer Wärmeleitfähigkeit gebildet, wie beispielsweise Aluminiumtitanat. Es sind auch poröse Keramiken oder beispielsweise Silikatkeramiken einsetzbar.In a further development, the insulating plate is advantageously formed from a heat-insulating material and is designed in such a way that it reduces heat transfer from the reservoir to the cooling plate. The use of the insulating plate enables suitable temperature management and permanent operation of the printhead. The insulation also reduces energy consumption and simplifies temperature control of the print head. The insulating plate is made of a ceramic, for example low thermal conductivity, such as aluminum titanate. Porous ceramics or, for example, silicate ceramics can also be used.

In einer Weiterbildung weist der Druckkopf eine Wasserkühlung auf, die als geschlossenes System zwischen dem Kühlflansch und der Kühlplatte ausgebildet ist. Durch die Ausgestaltung als geschlossenes System wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Kühlflansch mit der Kühlplatte vormontiert werden und anschließend auf seine Dichtigkeit geprüft werden kann. Bevorzugt bevor es zur Gesamtmontage des Druckkopfes kommt, wodurch die Qualitätssicherung gewährleistet werden kann.In a further development, the print head has water cooling, which is designed as a closed system between the cooling flange and the cooling plate. As a result of the design as a closed system, it is achieved in an advantageous manner that the cooling flange can be preassembled with the cooling plate and then checked for leaks. Preferably before the total assembly of the print head takes place, whereby quality assurance can be guaranteed.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Inbetriebnahme eines vorhergehend beschriebenen Druckkopfs zeichnet sich dadurch aus, dass der Kühlflansch mit der Kühlplatte vormontiert und anschließend auf seine Dichtigkeit geprüft wird bevor die Gesamtmontage des Druckkopfes beginnt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Dichtheitsprüfung vor der Gesamtmontage stattfinden.The method according to the invention for commissioning a previously described print head is characterized in that the cooling flange is preassembled with the cooling plate and then checked for leaks before the overall assembly of the print head begins. As a result, the leak test can advantageously take place before the overall assembly.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Further measures improving the invention are shown in more detail below together with the description of the preferred exemplary embodiment of the invention with reference to the figures.

FigurenlisteFigure list

Es zeigen:

1 Ein Beispiel eines Druckkopfes,
2 ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Druckkopfes,
3 eine Draufsicht eines Kühlflanschs und
4 eine Draufsicht einer Kühlplatte.

Show it:

1 An example of a print head,
2 a section of a print head according to the invention,
3 a top view of a cooling flange and
4th a top view of a cooling plate.

AusführungsbeispielEmbodiment

Die Figur zeigt ein Beispiel eines bekannten Druckkopfes 1 für einen 3D-Drucker, insbesondere Metalldrucker.
Der Druckkopf 1 umfasst ein Gehäuse 3, eine Vorrichtung 28 zur Zuführung eines Metalls 14 in fester Phase, einen Kolben 5, ein Reservoir 7, 27 mit einer Austrittsöffnung 10 und eine Aktorvorrichtung 12 zur Verschiebung des Kolbens. Das Reservoir 7, 27 weist einen Schmelzbereich 20 und einen Verdrängerraum 21 für eine flüssige Phase 8 des Metalls 14 auf, wobei der Schmelzbereich 20 an einer inerten Atmosphäre 22 angrenzt und mit dem Verdrängerraum 21 derart verbunden ist, dass durch die Verschiebung des Kolbens 5 die flüssige Phase 8 des Metalls 14 zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung 10 anregbar ist. Die flüssige Phase 8 des Metalls 14 wird auch als Schmelze 8 bezeichnet und die inerte Atmosphäre 22 ist durch Einleitung eines Inertgases 22 in das Reservoir 7, 27 gebildet. Die Einleitung des Inertgases 22 findet bevorzugt über einen kalten Bereich des Druckkopfes 1 in das Reservoir 7, 27 statt.The figure shows an example of a known print head 1 for a 3D printer, especially metal printers.
The printhead 1 includes a housing 3 , a device 28 for feeding a metal 14th in solid phase, a flask 5 , a reservoir 7th , 27 with an outlet opening 10 and an actuator device 12th to move the piston. The reservoir 7th , 27 has a melting range 20th and a displacement space 21st for a liquid phase 8th of the metal 14th on, being the melting range 20th in an inert atmosphere 22nd adjoins and with the displacement space 21st is connected such that by the displacement of the piston 5 the liquid phase 8th of the metal 14th to pass through the outlet opening 10 is stimulable. The liquid phase 8th of the metal 14th is also called melt 8th and the inert atmosphere 22nd is by introducing an inert gas 22nd into the reservoir 7th , 27 educated. The introduction of the inert gas 22nd preferably takes place over a cold area of the printhead 1 into the reservoir 7th , 27 instead of.

Das Gehäuse 3 ist mehrteilig ausgebildet, wobei es zumindest einen Kühlflansch 25, eine Isolierplatte 26 und das Reservoir 7, 27 umfasst.The case 3 is designed in several parts, with at least one cooling flange 25th , an insulating plate 26th and the reservoir 7th , 27 includes.

Der Kolben 5 ist mehrteilig ausgebildet, wobei er zumindest eine Kolbenstange 17 aus einem metallischen Werkstoff und einen Stempel 18 aus Keramik umfasst. Die Kolbenstange 17 ragt ausgehend von der Aktorvorrichtung 12 durch den Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 bis in das Reservoir 7, 27 hinein, wo sie in den Stempel 18 übergeht.The piston 5 is designed in several parts, with at least one piston rod 17th made of a metallic material and a stamp 18th made of ceramic covers. The piston rod 17th protrudes from the actuator device 12th through the cooling flange 25th and the insulating plate 26th up to the reservoir 7th , 27 into it, where it is in the stamp 18th transforms.

Der Kühlflansch 25 weist eine Ausnehmung 30 zur Aufnahme der Aktorvorrichtung 12, die als piezoelektrischer Aktor 12 ausgebildet ist, auf. Der piezoelektrische Aktor 12 ist während des Betriebs in der Ausnehmung 30 derart fixiert, dass er bei Anliegen einer Spannung einen Arbeitshub auf den Kolben 5, speziell auf die Kolbenstange 17 des Kolbens, ausübt. Die Kolbenstange 17 überträgt den Arbeitshub auf den Stempel 18, so dass dieser die flüssige Phase 8 des Metalls 14 zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung 10 anregt. Der Kolben 5 ist ohne Aktuierung des Aktors 12 durch eine Feder 13 in eine Ausgangsstellung rückstellbar, wobei die Feder 13 in der Ausnehmung 30 des Kühlflanschs 25 zwischen einem Absatz 24 und dem Aktor 12 angeordnet ist. Die Feder 13 ist als Tellerfeder ausgebildet.
Ferner weist der Kühlflansch 25 Kühlkanäle 31 zur Kühlung auf. Die Kühlkanäle 31 sind zwischen dem Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 angeordnet und werden mit einem Kühlmedium durchspült. Dies dient als Kühlung gegenüber der Erwärmung durch die Schmelze 8 und zum Kühlen des Aktors 12 im Betrieb. Der Kühlflansch 25 ist aus einem metallischen Werkstoff gebildet.
Die an dem Kühlflansch 25 auf Seiten der Kühlkanäle 31 anliegende Isolierplatte 26 ist aus einem wärmeisolierenden Material gebildet und derart ausgebildet, dass sie einen Wärmeübergang vom Reservoir 7, 27 zum Kühlflansch 25 vermindert.The cooling flange 25th has a recess 30th to accommodate the actuator device 12th that act as a piezoelectric actuator 12th is trained on. The piezoelectric actuator 12th is in the recess during operation 30th fixed in such a way that when a voltage is applied it causes a working stroke on the piston 5 , specifically on the piston rod 17th of the piston. The piston rod 17th transfers the working stroke to the punch 18th so that this is the liquid phase 8th of the metal 14th to pass through the outlet opening 10 stimulates. The piston 5 is without actuation of the actuator 12th by a spring 13th resettable to an initial position, the spring 13th in the recess 30th of the cooling flange 25th between a paragraph 24 and the actuator 12th is arranged. The feather 13th is designed as a disc spring.
The cooling flange also has 25th Cooling channels 31 for cooling. The cooling channels 31 are between the cooling flange 25th and the insulating plate 26th arranged and flushed with a cooling medium. This serves as a cooling against the heating by the melt 8th and for cooling the actuator 12th operational. The cooling flange 25th is formed from a metallic material.
The one on the cooling flange 25th on the side of the cooling channels 31 adjacent insulating plate 26th is formed from a heat-insulating material and designed in such a way that there is a heat transfer from the reservoir 7th , 27 to the cooling flange 25th reduced.

Die Vorrichtung 28 zur Zuführung des Metalls 14 mündet in das Reservoir 7, 27 und ist in dem Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 angeordnet. Die Vorrichtung 28 ragt durch den Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 hindurch und das Metall 14, bzw. das zu druckende Material 14 ist von außen durch die Vorrichtung 28 zuführbar. Bevorzugt können vordosierte Materialstücke, bzw. Pellets verwendet werden. Am Übergang der Isolierplatte 26 zum Reservoir 7, 27 befindet sich eine Öffnung 29 durch die das Material 14 in das Reservoir 7, 27 gelangt. Die Öffnung 29 ist durch eine Vorrichtung 32 verschließbar, so dass diese bevorzugt nur bei Zuführung des Materials 14 geöffnet ist, wodurch die Strahlungsenergie vom Reservoir 7, 27 auf die Vorrichtung 28 zur Zuführung des Metalls 14 reduziert wird.The device 28 for feeding the metal 14th flows into the reservoir 7th , 27 and is in the cooling flange 25th and the insulating plate 26th arranged. The device 28 protrudes through the cooling flange 25th and the insulating plate 26th through and the metal 14th or the material to be printed 14th is from the outside through the device 28 feedable. Pre-dosed pieces of material or pellets can preferably be used. At the transition of the insulating plate 26th to the reservoir 7th , 27 there is an opening 29 through which the material 14th into the reservoir 7th , 27 got. The opening 29 is through a device 32 lockable, so that this is preferred only when feeding the material 14th is open, reducing the radiant energy from the reservoir 7th , 27 on the device 28 for feeding the metal 14th is reduced.

Das Reservoir 7, 27 ist als Schmelztiegel 27 ausgebildet, wobei außerhalb des Schmelztiegels 27 ein Induktor 33 und innerhalb des Schmelztiegels ein Sensor 34, insbesondere ein Temperatursensor, angeordnet sind. Zwischen dem Schmelztiegel 27 und dem Induktor 33, bzw. der Induktor Spule 33 kann sich optional noch ein nicht dargestellter Isolator befinden.The reservoir 7th , 27 is as a melting pot 27 formed, being outside of the crucible 27 an inductor 33 and a sensor within the crucible 34 , in particular a temperature sensor, are arranged. Between the crucible 27 and the inductor 33 , or the inductor coil 33 an isolator (not shown) can optionally also be located.

Das Metall 14 gelangt in einer festen Phase 14 in den Schmelzbereich 20 des Schmelztiegels und wird durch den Induktor 33 erhitzt, bis es in eine flüssige Phase 8 übergeht. Bei Erreichen einer gewünschten Prozesstemperatur der Schmelze 8, die durch den Temperatursensor 34 ermittelt wird, kann der Druckkopf 1 den Betrieb aufnehmen. Die flüssige Phase 8, bzw. die Schmelze 8 gelangt durch Schweredruck der Schmelze 8 oder durch eine Kombination aus Schweredruck und Atmosphärendruck des Inertgases 22 am Stempel 18 vorbei in den Verdrängerraum 21. Der Stempel 18 des Kolbens 5 ist mit einer Druckseite 19 in der Schmelze 8, bzw. von Schmelze 8 umgeben und an der Verbindungsseite zur Kolbenstange 17 in der inerten Atmosphäre 22, bzw. von der inerten Atmosphäre 22 umgeben. Die Kolbenstange 17 kommt prozessbedingt nicht mit der Schmelze 8 in Berührung.
Die Keramik des Stempels 18 ist vorteilhafterweise sehr gut temperaturleitend, um die durch den Induktor 33 erzeugte Wärme gut in den Verdrängerraum 21 übertragen zu können.The metal 14th arrives in a solid phase 14th in the melting range 20th of the crucible and is driven by the inductor 33 heated until it is in a liquid phase 8th transforms. When the melt reaches a desired process temperature 8th by the temperature sensor 34 is detected, the printhead can 1 start operations. The liquid phase 8th , or the melt 8th reaches the melt due to gravity 8th or by a combination of gravity pressure and atmospheric pressure of the inert gas 22nd on the stamp 18th over to the displacement room 21st . The Stamp 18th of the piston 5 is with one print side 19th in the melt 8th , or from melt 8th and on the connection side to the piston rod 17th in the inert atmosphere 22nd , or from the inert atmosphere 22nd surround. The piston rod 17th does not come with the melt due to the process 8th in touch.
The ceramic of the stamp 18th is advantageously very good temperature conductive to the inductor 33 generated heat well into the displacement space 21st to be able to transfer.

Bei Aktuierung des piezoelektrischen Aktors 12 übt die Druckseite 19 des Stempels 18 einen Druck auf die Schmelze 8 im Verdrängerraum 21 in Richtung der Austrittsöffnung 10 aus und sorgt für einen Ausstoß eines Tropfens 15 durch die Austrittsöffnung 10 des Reservoirs 7, 27, bzw. des Verdrängerraums 21. Die Austrittsöffnung 10 ist für den Ausstoß von Tropfen 15 der flüssigen Phase 8 des Metalls 14 ausgebildet, wobei die Austrittsöffnung 10 die Form einer Düse 10 aufweist und fest mit dem Schmelztiegel 27 verbunden sein kann, oder wie in dem Ausführungsbeispiel gezeigt, einen wechselbaren Einsatz 11 aufweist, der den Einsatz von unterschiedlichen Düsengeometrien erlaubt.When the piezoelectric actuator is activated 12th practices the pressure side 19th of the stamp 18th a pressure on the melt 8th in the displacement space 21st in the direction of the outlet opening 10 and causes a drop to be ejected 15th through the outlet opening 10 of the reservoir 7th , 27 , or the displacement space 21st . The outlet opening 10 is for ejecting drops 15th the liquid phase 8th of the metal 14th formed, the outlet opening 10 the shape of a nozzle 10 and firmly attached to the crucible 27 can be connected, or as shown in the embodiment, an exchangeable insert 11 which allows the use of different nozzle geometries.

2 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Druckkopfes 1, dessen Grundaufbau dem des Druckkopfes 1 aus 1 entspricht. Das Gehäuse 3 ist mehrteilig ausgebildet und es umfasst zumindest den Kühlflansch 25, die Isolierplatte 26 und das Reservoir 27, wobei zwischen dem Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 eine Kühlplatte 40 angeordnet ist. Die Isolierplatte 26 ist aus einem wärmeisolierenden Material gebildet und derart ausgebildet ist, dass sie einen Wärmeübergang vom Reservoir 27 zur Kühlplatte 40 und dadurch zum Kühlflansch 25 vermindert. Der Kühlflansch 25 und die Kühlplatte 40 sind bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff gebildet.
Ferner weist der Kühlflansch 25 an seiner zur Kühlplatte 40 gewandten Seite Kühlkanäle 31 zur Kühlung des Kühlflanschs 25 und Ausnehmungen 35, 36 zur Aufnahme von Dichtmitteln 37, 38 auf. Die Kühlkanäle 31 sind zur Aufnahme von Kühlmedium, insbesondere von Kühlwasser ausgebildet.
Die Kühlplatte 40 weist zudem an ihrer zur Isolierplatte 26 zugewandten Seite Kanäle 41 zur Reduzierung der Kontaktfläche zwischen der Kühlplatte 40 und der Isolierplatte 26 auf.
Der Druckkopf 1 weist somit eine Wasserkühlung auf, die als geschlossenes System, bzw. Kühlsystem zwischen dem Kühlflansch 25 und der Kühlplatte 40 ausgebildet ist. Durch nicht dargestellte Zu- und Abläufe wird das Kühlwasser mittels eines nicht dargestellten Pumpsystems durch die Kühlkanäle gepumpt wobei es entstehende Wärme aus dem Druckkopf 1 abführt. Zur Abdichtung des Kühlsystems sind die Dichtmittel 37, 38 in den Ausnehmungen 35, 36 vorgesehen, wobei diese als O-Ringe ausgeführt sind. Ein erster O-Ring 37 in der ersten Ausnehmung 35 dichtet das System nach außen ab und ein zweiter O-Ring 38 in der zweiten Ausnehmung 36 dichtet das System nach innen ab, bzw. es dient zur Abdichtung des Druckkopfinnenraums. 2 shows a section of a print head according to the invention 1 , the basic structure of which is that of the printhead 1 out 1 corresponds. The case 3 is designed in several parts and it includes at least the cooling flange 25th who have favourited the insulating plate 26th and the reservoir 27 , with between the cooling flange 25th and the insulating plate 26th a cooling plate 40 is arranged. The insulating plate 26th is formed from a heat-insulating material and is designed such that there is a heat transfer from the reservoir 27 to the cooling plate 40 and thereby to the cooling flange 25th reduced. The cooling flange 25th and the cooling plate 40 are preferably formed from a metallic material.
The cooling flange also has 25th on his to the cooling plate 40 turned side cooling channels 31 for cooling the cooling flange 25th and recesses 35 , 36 for holding sealants 37 , 38 on. The cooling channels 31 are designed to accommodate cooling medium, in particular cooling water.
The cooling plate 40 also points on its to the insulating plate 26th facing side channels 41 to reduce the contact area between the cooling plate 40 and the insulating plate 26th on.
The printhead 1 thus has a water cooling system that acts as a closed system or cooling system between the cooling flange 25th and the cooling plate 40 is trained. The cooling water is pumped through the cooling channels by means of a pump system (not shown) by means of inlets and outlets, which are not shown, with the resulting heat from the print head 1 leads away. The sealants are used to seal the cooling system 37 , 38 in the recesses 35 , 36 provided, these being designed as O-rings. A first O-ring 37 in the first recess 35 seals the system from the outside and a second O-ring 38 in the second recess 36 seals the system from the inside, or it serves to seal the interior of the printhead.

3 zeigt eine Draufsicht eines Kühlflanschs 25, bzw. eine Draufsicht auf eine Unterseite des Kühlflanschs 25. Die Kühlkanäle 31 sind meanderförmig in der Unterseite des Kühlflanschs 25 ausgebildet, bzw. ausgearbeitet. Ferner weist der Kühlflansch 25 Ausnehmungen 35, 36 zur Aufnahme von nicht dargestellten Dichtmitteln 37, 38 auf.
In dem Kühlflansch 25 ist eine Öffnung 39 zur Durchführung des Kolbens 5 angeordnet, wobei an der Öffnung 39 die Ausnehmung 36 zur Aufnahme des zweiten Dichtmittels 38 zur Abdichtung des Druckkopfinnenraums angeordnet ist. 3 shows a top view of a cooling flange 25th , or a plan view of an underside of the cooling flange 25th . The cooling channels 31 are meandering in the underside of the cooling flange 25th trained or worked out. The cooling flange also has 25th Recesses 35 , 36 for receiving sealants, not shown 37 , 38 on.
In the cooling flange 25th is an opening 39 for carrying out the piston 5 arranged, being at the opening 39 the recess 36 for receiving the second sealant 38 is arranged to seal the interior of the printhead.

4 zeigt eine Draufsicht auf eine Unterseite der Kühlplatte 40. An dieser Seite weist die Kühlplatte 40 Kanäle 41 auf, die zur Reduzierung der Kontaktfläche zwischen der Kühlplatte 40 und der Isolierplatte 26 dienen. Die Fläche der Kanäle 41 umfasst dabei mehr als 50 Prozent der Gesamtfläche der Kühlplatte 40. 4th shows a plan view of an underside of the cooling plate 40 . The cooling plate is on this side 40 channels 41 to reduce the contact area between the cooling plate 40 and the insulating plate 26th serve. The area of the channels 41 covers more than 50 percent of the total surface of the cooling plate 40 .

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102016224047 A1 [0005]

Claims

Print head (1) for a 3D printer, in particular a metal printer, comprising a housing (3), a device (28) for supplying a metal (14), a piston (5), a reservoir (7, 27) with an outlet opening ( 10) and an actuator device (12) for displacing the piston (5), the reservoir (7, 27) having a melting area (20) and a displacement chamber (21) for a liquid phase (8) of the metal (14), wherein the melting area (20) is adjacent to an inert atmosphere (22) and is connected to the displacement chamber (21) in such a way that the displacement of the piston (5) causes the liquid phase (8) of the metal (14) to pass through the outlet opening ( 10) can be excited, wherein the housing (3) is constructed in several parts and it comprises at least one cooling flange (25), an insulating plate (26) and the reservoir (7, 27), characterized in that between the cooling flange (25) and the Insulating plate (26) a cooling plate (40) is arranged.

Print head (1) Claim 1 , characterized in that the cooling flange (25) has cooling channels (31) for cooling the cooling flange (25) and recesses (35, 36) for receiving sealing means (37, 38) on its side facing the cooling plate (40).

Print head (1) Claim 2 , characterized in that the cooling channels (31) are designed in a meander shape.

Print head (1) after one of the Claims 2 or 3 , characterized in that the cooling channels (31) are designed to receive cooling medium, in particular cooling water.

Print head (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling flange (25) has an opening (39) for the passage of the piston (5), on which a second recess (36) for receiving a second sealing means (38) Sealing of the printhead interior, is arranged.

Print head (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the sealing means (37, 38) are O-rings.

Print head (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling plate (40) has channels (41) on its side facing the insulating plate (26) to reduce the contact area between the cooling plate (40) and the insulating plate (26).

Print head (1) Claim 7 , characterized in that the area of the channels (41) comprises more than 50 percent of the total area of the cooling plate (40).

Print head (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling flange (25) and the cooling plate (40) are formed from a metallic material.

Print head (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating plate (26) is formed from a heat-insulating material and is designed such that it reduces heat transfer from the reservoir (27) to the cooling plate (40).

Print head (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the print head (1) has water cooling, which is designed as a closed system between the cooling flange (25) and the cooling plate (40).

Procedure for commissioning a printhead (1) according to Claim 11 , characterized in that the cooling flange (25) is preassembled with the cooling plate (40) and is then checked for leaks before the overall assembly of the print head (1) begins.