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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer 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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Ferner ist bei „Drop-on-Demand“-Verfahren die Umgebung der Schmelze zumindest partiell inertisiert. Dies kann durch Stickstoff, Argon oder andere inerte Gase erreicht werden. Leider kann durch diese Inertisierung nicht verhindert werden, das Sauerstoff, auch wenn nur im ppm Bereich, eine Oxidation verursacht. Dadurch kann über die Betriebszeit im schlechtesten Falle die Austrittsöffnung, bzw. eine Düsenbohrung zuwachsen. Dies kann beispielsweise von der Seite des Spritzlochs her passieren. Aufgrund eines kleineren Querschnitts ist die Drosselwirkung der Düsenverengung größer und die Tropfengröße wird reduziert. Ferner kann eine anfangs noch geometrisch zylindrische Düsenbohrung durch Oxidation einseitig eingeschnürt werden, wodurch die Tropfenablösung nicht mehr konzentrisch gerade (relativ zur Düsenbohrung) ausgestoßen wird.
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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 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 4 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 wird aus einer Metallschmelze, bei dem die Metallschmelze aus einem Reservoir 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 der Metallschmelze ein Zusatzstoff mit hoher Oxidationsneigung zugeführt und dieser Zusatzstoff bildet zusammen mit in der Metallschmelze enthaltendem Sauerstoff eine Oxidschicht, die sich auf der Oberfläche der Metallschmelze im Reservoir absetzt.
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Durch die erfindungsgemäße Zuführung des Zusatzstoffes mit hoher Oxidationsneigung kann in vorteilhafter Weise vermieden werden, dass die üblicherweise stark oxidierenden Bestandteile der Schmelze weggelassen werden, beispielsweise in einer Aluminium-Legierung, die aufgrund des Aluminiums an sich schon stark oxidierend ist, das noch stärker oxidierende Magnesium. Der Zusatzstoff weist eine höhere Oxidationsneigung als Aluminium und Magnesium auf und bindet dadurch in vorteilhafter Weise den Restsauerstoff in der Schmelze, bzw. verhindert, dass dieser mit dem Magnesium in Berührung kommt.
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In einer Weiterbildung bildet die Oxidschicht eine geschlossene Schicht aus, wobei diese die Metallschmelze vor einer weiteren Aufnahme von Sauerstoff schützt.
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Bevorzugt wird die Metallschmelze aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung und der Zusatzstoff aus Beryllium gebildet.
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Bekannt ist das Beryllium gegenüber AI und Mg in vorteilhafter Weise noch reaktiver mit dem Restsauerstoff reagiert. Ziel ist es daher dieses Element als sogenanntes Opfer einzusetzen.
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Durch die Beigabe des gegenüber Aluminium oder Magnesium noch unedleren Elements wie Beryllium, wird die Oxidation an der Düse verstärkt. Dabei entsteht der Effekt, dass sich Beryllium bei der Oxidation ausdehnt, wodurch sich in vorteilhafter Weise eine geschlossene Oxidschicht bildet, die das darunterliegende Material schützt.
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Ein weiterer Effekt ist, das Beryllium, bezüglich der atomaren Größe, deutlich kleiner als Aluminium und Magnesium ist, wodurch es sehr schnell an die Oberfläche der Schmelze diffundiert und dort die Bildung einer schützenden Haut noch verstärkt. Eine ausreichende Konzentrationen von Beryllium in der Schmelze kann schon ab ca. 3ppm Beryllium erreicht werden.
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Sehr gut kombinierbar ist der Zusatz von Beryllium, welche die Oxidation deutlich reduziert, auch mit einer periodischen Reinigungsfunktion der Düse wie z.B. einer kurzen Ultraschall Anwendung.
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Hierbei werden dünne radial verengende Oxidschichten am Düsenende durch eine starke hochfrequente Schwingung, bzw. sehr starke kurze Druckstöße und dadurch zerplatzende Kavitationsblasen abgesprengt.
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Dabei ist es von Vorteil wenn sich der Kolben bei der Ausführung dieser Funktion in einer Führungshülse befinden. Nur hier kann genügend Energie in Richtung des Düsenendes eingekoppelt werden. Optimal ist es, wenn der Kolben nicht zu nah an der Düse positioniert wird, wodurch sichergestellt wird, dass kein Gas durch die Düse in den Verdrängerraum, der auf der anderen Seite durch den Kolben begrenzt wird, eingezogen wird.
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Es ist von Vorteil, dass vor Fertigungsbeginn und/oder in einer Fertigungspause der Kompressionsraum entgast wird. Dabei werden in einem ersten Schritt Ultraschallwellen in die im Kompressionsraum vorhandene Schmelze eingekoppelt, welche eine Kraft FBjrk erzeugen, die dazu führt, dass das in der Schmelze vorhandene Gas absinkt. Dabei wird ferner in einem zweiten Schritt, nach Beendigung der Ultraschall-Anregung, der Kolben tiefer in den Kompressionsraum eingefahren, um das dann aufsteigende Gas über eine Führung des Kolbens auszutragen.
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Dadurch, dass bei dem ergänzenden 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 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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Um die in der Schmelze aufsteigende Gasblase auszutragen, wird dann in einem weiteren Verfahrensschritt der Kolben tiefer in den Kompressionsraum eingefahren. Sofern der Kolben bereits maximal ausgefahren ist, wird er zunächst in die umgekehrte Richtung bewegt, das heißt aus dem Kompressionsraum herausgezogen, und erst danach tiefer in den Kompressionsraum eingefahren. Der Kolbenhub kann dabei einen oder mehrere Millimeter betragen. Das heißt, dass das Austragen der Gasblase bzw. der Gasblasen nach der Ultraschall-Anregung mit Hilfe eines makroskopischen Kolbenhubs bewirkt wird.
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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. Derselbe Aktor kann ferner zur Realisierung eines makroskopischen Kolbenhubs eingesetzt werden, um nach der Ultraschall-Anregung in der Schmelze vorhandene Gasblasen auszutragen.
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Zusätzlich kann vor der Ultraschall-Anregung die im Bereich des Spritzlochs vorhandene Schmelze heruntergekühlt werden, bis die Soliduslinie der Schmelze unterschritten wird. Das heißt, dass die Schmelze im Bereich des Spritzlochs soweit heruntergekühlt wird, dass sie erstarrt. Dadurch ist sichergestellt, dass vor Fertigungsbeginn keine Schmelze über das Spritzloch ausgetragen wird.
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Bevorzugt wird die im Bereich des Spritzlochs vorhandene Schmelze mit molekularem Stickstoff (N2) heruntergekühlt. Der molekulare Stickstoff (N2) wird vorzugsweise mit Hilfe einer Lanze von außen an das Spritzloch herangeführt, so dass eine lokal begrenzte Kühlung erreicht wird. Das heißt, dass nach dem Entgasen des Kompressionsraums die erstarrte Schmelze schneller wieder verflüssigt werden kann.
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Die darüber hinaus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung umfasst einen mit einer Metallschmelze aus einem Reservoir 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 der Vorrichtung 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 fördert beim Einfahren in den Kompressionsraum ein „Abstreifen“ von Gasblasen, so dass diese sich leicht vom Kolben lösen und seitlich am Kolben entlang aufsteigen können, um dann über die Kolbenführung ausgetragen zu werden.
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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 insbesondere aus einem metallische Werkstoff hergestellt sein kann. Die Kolbenstange kann - 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 Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer Schmelze,
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Der 1 ist beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer Metallschmelze 1, 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 zumindest ein Reservoir 13 zur Aufnahme der Metallschmelze und ein hin- und herbeweglicher Kolben 3, der einen Kompressionsraum 2 begrenzt. Der Kompressionsraum 2 ist mit der Metallschmelze 1 gefüllt. Durch die Hin- und Herbewegungen des Kolbens 3 (siehe 1, Pfeil im Kolben 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.
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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 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.
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Beim Austreten der Metallschmelze 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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Der Metallschmelze 1, bestehend aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung, ist ein Zusatzstoff mit hoher Oxidationsneigung zugeführt, wobei dieser aus Beryllium besteht und zusammen mit in der Metallschmelze 1 enthaltendem Sauerstoff eine Oxidschicht 10 bildet, die sich auf der Oberfläche der Metallschmelze 1 im Reservoir 13 absetzt. Die Oxidschicht 10 bildet eine geschlossene Schicht aus, wobei diese die Metallschmelze 1 vor einer weiteren Aufnahme von Sauerstoff schützt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016224047 A1 [0003]
