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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer Metallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze und ein Verfahren.
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Die generative Fertigung umfasst insbesondere 3D-Druckverfahren, bei denen flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut werden. Flüssige Werkstoffe werden in Form einzelner Tropfen auf einen Werkstückträger aufgebracht. Feste Werkstoffe, zum Beispiel in Form von Pulvern, werden lokal aufgeschmolzen. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer 3D-Druckvorrichtung, die ausschließlich flüssige Werkstoffe einsetzt.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2015 206 813 A1 geht beispielhaft eine Vorrichtung zum Auftragen eines Fluids auf einen Werkstückträger zum Erzeugen eines Werkstücks hervor, die ein Reservoir zur Aufnahme des Fluids sowie eine Auslasseinrichtung zum Ausgeben des Fluids aufweist. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Aktoreinrichtung, mittels welcher ein Volumen des Reservoirs zur Erzeugung einer Druckwelle verkleinerbar ist. Die Druckwelle bewirkt, dass zumindest ein Teil des im Reservoir aufgenommenen Fluids über die Auslasseinrichtung ausgegeben und auf den Werkstückträger aufgetragen wird. Die Aktoreinrichtung weist hierzu eine Membran auf, die in einer oder als eine Außenwand des Reservoirs ausgebildet und elastisch verformbar ist. Ferner umfasst die Aktoreinrichtung einen beweglichen Kolben, mittels dessen die elastische Verformung der Membran bei Betätigung eines Wirbelstromaktors bzw. eines Magnetaktors bewirkbar ist.
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Um den Wirkungsgrad einer solchen Vorrichtung zu steigern, wird häufig eine Erhöhung der Tropfenfrequenz gefordert. Das heißt, dass die zur Tropfenbildung erforderlichen Druckwellen bzw. Druckpulse in kürzeren zeitlichen Abständen erzeugt werden müssen. Dabei kann es in der Auslasseinrichtung zu Kavitationsgebieten und/ oder zu einer Strömungsablösung kommen, welche die Tropfenbildung beeinträchtigen bzw. beeinträchtigt. Insbesondere kann sich vorzeitig ein Tropfen ablösen, dessen Durchmesser zudem kleiner als der Durchmesser der Austrittsöffnung ist, so dass der Tropfen exzentrisch austritt und beim Austreten abgelenkt wird. Dies gilt es zu verhindern.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze, anzugeben, die eine präzise Tropfenbildung selbst bei hoher Tropfenfrequenz ermöglicht.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer Metallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze, umfasst einen die Metallschmelze aufnehmenden Kompressionsraum, der durch einen hin- und herbeweglichen Kolben und durch einen Düsenkörper mit einer Düsenbohrung zur topfenförmigen Abgabe der Metallschmelze begrenzt wird.
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Der Düsenkörper ist erfindungsgemäß aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet und die Metallschmelze innerhalb des Düsenkörpers bildet zusammen mit einer elektrisch leitenden Hülse außerhalb des Düsenkörpers einen Kondensator, wobei der Kondensator an einer Innenwand des Düsenkörpers derart ein elektrisches Feld ausbildet, dass die Innenwand dadurch eine metallophile, insbesondere aluphile Oberfläche aufweist.
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Zur Erreichung einer präziseren Tropfenausbildung ist es gewünscht, dass das Flüssige Aluminium in der Düse vor dem Ausstoßen anhaftet, also in der Düse eine aluphile Oberfläche, bzw. Wirkfläche entsteht. Durch die erfindungsgemäße Bildung eines elektrischen Feldes an der Innenwand des Düsenkörpers wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Grenzflächenspannung unterstützt wird. Ohne die Wirkung eines elektrischen Feldes müsste ausschließlich das Wandmaterial variiert werden, um eine Anhaftung an der Innenwand des Düsenkörpers zu erreichen. Die Erfindung ergänzt somit die Grenzflächenspannung, welche auf molekularen elektrodynamischen Kräften beruht, durch ein direktes definiert einstellbares Elektrisches Feld, welches in vorteilhafter Weise die Anhaftungskraft an der Düsenwand ergänzt.
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Aluphil, bzw. „Metallophil“ bedeutet, dass der Kontaktwinkel zwischen der Metallschmelze und der aus dem aluphilen Werkstoff ausgebildeten Oberfläche vergleichsweise klein ist. Dadurch wird die Benetzung der Oberfläche mit der Metallschmelze verbessert. Dies weist den Vorteil auf, dass die Tropfenablösung erst am Ende der Düsenbohrung und nicht bereits innerhalb der Düsenbohrung erfolgt. Einem vorzeitigen Ablösen von Tropfen kann somit entgegengewirkt werden. Ferner ist sichergestellt, dass nach der Erzeugung eines Tropfens die Düsenbohrung mit Metallschmelze gefüllt bleibt, so dass hieraus gleich der nächste Tropfen gebildet werden kann. Der Prozess kann somit hochdynamisch gestaltet werden, insbesondere kann die Tropfenfrequenz erhöht werden.
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Bei einer Düsenbohrung, die keine aluphile Oberfläche aufweist, neigt die aluminiumhaltige Metallschmelze aufgrund ihrer hohen Oberflächenspannung dazu, sich nach jedem Druckpuls zur Erzeugung eines Tropfens aus der Düsenbohrung zurückzuziehen. Die Düsenbohrung muss demnach erneut mit Metallschmelze gefüllt werden, bevor ein weiterer Tropfen erzeugt werden kann. Hohe Tropfenfrequenzen können auf diese Weise nicht erzielt werden. Zudem besteht die Gefahr, dass Kavitationsgebiete entstehen und/oder es zu einer Strömungsablösung und den damit verbundenen Nachteilen kommt. Insbesondere kann sich innerhalb der Düsenbohrung ein kleinerer Tropfen ablösen und exzentrisch aus der Düsenbohrung austreten, wobei der Tropfen - aufgrund der einseitig höheren Wandreibung - abgelenkt wird.
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In einer Weiterbildung ist die elektrisch leitende Hülse aus einem Ring oder einer Folie oder einer elektrisch leitenden Beschichtung gebildet.
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Ferner ist die Metallschmelze durch eine Elektrode, insbesondere Graphitelektrode elektrisch angebunden.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung sorgt in vorteilhafter Weise dafür, dass in einfacher Weise ein elektrisches Feld durch den Kondensator erzeugt wird, wobei der Kondensator vom Prinzip her wie ein Plattenkondensator funktioniert, wobei dessen eine Platte durch das flüssige Metall gebildet ist und die andere Platte ein durch das Düsenmaterial isolierter elektrisch leitender Ring oder eine Folie oder eine sonstige Beschichtung ist. Die flüssige Schmelze wird dabei durch eine Graphitelektrode und die elektrisch leitende Hülse durch eine weitere Elektrode elektrisch an eine Spannungsquelle angebunden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist das elektrische Feld einstellbar, bzw. in seiner Stärke veränderbar. Das elektrische Feld ist in Abhängigkeit der Viskosität der Metallschmelze einstellbar.
Die Kraft des elektrischen Feldes kann somit zeitlich und durch entsprechenden Aufbau örtlich verändert werden. Hierdurch können die flüssigen Metalltropfen in vorteilhafter Weise definierter gebildet und abgelöst werden. Das elektrische Feld kann je nach Viskosität des flüssigen Metalls angepasst werden, so dass die Tropfenbildung in vorteilhafter Weise optimiert wird.
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Elektronen in der Metallschmelze werden nun in dem dann herrschenden elektrischen Feld an die isolierende Wand der Düse gezogen und damit auch die Metallatome. Dies führt zu einer Anhaftung der Schmelze an der Innenwand der Düse. Die elektrische Feldstärke ist in vorteilhafter Weise an der Düsenwand am größten, da das Feld konzentrisch zum Düsenmittelpunkt verläuft. Wobei es nach der Düsenwand auf null abfällt (Prinzip: Faraday'scher Käfig). Dadurch können in vorteilhafter Weise extrem hohe Feldstärken und daraus hohe Kräfte erzielt werden. Die Homogenität des elektrischen Feldes kann durch weitere Hilfsfelder verbessert werden. Ein größerer Abstand der Kondensatorplatten erhöht die elektrische Durchschlagsfestigkeit, ohne dadurch, bei gleicher elektrischer Spannung, die elektrische Feldstärke an der Düsenwand zu reduzieren.
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Ferner weist die Erfindung ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer Metallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf. Dabei bildet der Kondensator an einer Innenwand des Düsenkörpers derart ein elektrisches Feld aus, dass an der Innenwand eine metallophile, insbesondere aluphile Oberfläche ausgebildet wird.
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In einer Weiterbildung wird das elektrische Feld in Abhängigkeit der Viskosität der Metallschmelze eingestellt.
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Die Kraft des elektrischen Feldes kann somit zeitlich und durch entsprechenden Aufbau örtlich verändert werden. Hierdurch können die flüssigen Metalltropfen in vorteilhafter Weise definierter gebildet und abgelöst werden. Das elektrische Feld kann je nach Viskosität des flüssigen Metalls angepasst werden, so dass die Tropfenbildung in vorteilhafter Weise optimiert wird.
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Ergänzend kann der Düsenkörper dabei zumindest im Bereich einer an die Düsenbohrung angrenzenden Oberfläche, die auf der dem Kompressionsraum abgewandten Seite angeordnet ist, eine metallophobe, insbesondere aluphobe Oberfläche aufweisen.
Die metallophobe, insbesondere aluphobe Oberfläche unterstützt ein schnelles Ablösen der Tropfen am Ende der Düsenbohrung, so dass sichergestellt ist, dass die Tropfen nicht abgelenkt werden, sondern gerade in Richtung ihres Zielortes fliegen.
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Durch eine derartige Ausgestaltung wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass ein aus der Düsenbohrung austretender Tropfen keinerlei adhäsive Kräfte seitens der Düsenplattenunterseite erfährt. Die aluphobe Oberfläche führt zu einer Minimierung des Kontakts des flüssigen Metalls mit dem Untergrund und zwingt dadurch die Flüssigkeitssäule aufgrund der Dominanz der Kohäsionskräfte zur Tropfenbildung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung nach Stand der Technik,
- 2 einen schematischen Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung und,
- 3 einen schematischen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze, die den Stand der Technik abbildet, umfasst einen mehrteilig ausgeführten Düsenkörper 4, der ein plattenförmiges Teil bzw. eine Düsenplatte 12 umfasst. Die Düsenplatte 12 ist mittels einer Düsenspannmutter 10 mit einem Hohlzylinder 9 verbunden, d. h. axial verspannt, in dem ein hin- und herbeweglicher Kolben 3 aufgenommen ist. Der Kolben 3, der Hohlzylinder 9 und die Düsenplatte 12 begrenzen gemeinsam einen Kompressionsraum 2, der mit einer Metallschmelze 1 befüllbar ist.
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Die Vorrichtung umfasst ferner einen Aktor (nicht dargestellt) mit dessen Hilfe der Kolben 3 hin- und herbewegbar ist. Dabei taucht der Kolben 3 in den Kompressionsraum 2 ein oder zieht sich aus diesem zurück. Auf diese Weise werden Druckwellen bzw. Druckpulse erzeugt, welche die Metallschmelze 1 in eine Düsenbohrung 5 der Düsenplatte 12 drücken, so dass diese über die Düsenbohrung 5 in Form einzelner Tropfen 11 ausgetragen wird.
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Die Düsenplatte 12 des Düsenkörpers weist im Bereich der Düsenbohrung 5 eine Innenwand 6 auf, wobei diese aus einem metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff ausgebildet sein kann. Die aluphile Oberfläche verbessert die Benetzungsfähigkeit der die Düsenbohrung 5 begrenzenden Oberflächen mit der aluminiumhaltigen Metallschmelze 1. Die Metallschmelze 1 neigt somit weniger dazu, sich nach der Erzeugung eines Tropfens 11 in den Kompressionsraum 2 zurückzuziehen, so dass die Düsenbohrung 5 mit Metallschmelze 1 gefüllt bleibt und gleich der nächste Tropfen 11 ausgebildet werden kann.
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Im Bereich 8 einer an die Düsenbohrung 5 angrenzenden Oberfläche 7, die auf der dem Kompressionsraum 2 abgewandten Seite der Düsenplatte 12 ausgebildet ist, weist die Oberfläche 7 eine metallophobe, insbesondere aluphobe Struktur 18 auf. Die aluphobe Struktur 8 wiederum unterstützt das Ablösen der Tropfen 11 am Ende der Düsenbohrung 5, in Strömungsrichtung der Metallschmelze 1 gesehen. Die Oberfläche 7 bildet die Düsenplattenunterseite 7 aus.
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Mit Hilfe der in der 1 dargestellten Vorrichtung lassen sich somit Tropfen 11 aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze 1 ausbilden, die eine definierte Größe aufweisen und exakt positioniert werden können, da sie nach dem Ablösen nicht abgelenkt werden, sondern senkrecht nach unten fallen.
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2 und 3 zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks, wobei der Düsenkörper 4 aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist und die Metallschmelze 1 innerhalb des Düsenkörpers 4 und eine elektrisch leitende Hülse 14 außerhalb des Düsenkörpers 4 einen Kondensator 20 bilden, wobei der Kondensator 20 an der Innenwand 6 des Düsenkörpers 4 derart ein elektrisches Feld 13 ausbildet, dass die Innenwand 6 eine metallophile, insbesondere aluphile Oberfläche aufweist. Der Düsenkörper 4 kann auch die Düsenplatte 12 sein. Die elektrisch leitende Hülse 14 ist in dieser Ausführung aus einem Ring gebildet, wobei dieser Ring aus einer Folie oder einer elektrisch leitenden Beschichtung gebildet sein kann. Ferner ist die elektrisch leitende Hülse über eine erste Elektrode 16 an einer nicht dargestellten Spannungsquelle elektrisch angebunden. Die Metallschmelze 1 ist durch eine zweite Elektrode 15, insbesondere Graphitelektrode an einer nicht dargestellten Spannungsquelle elektrisch angebunden.
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Das elektrische Feld 13 ist über die Spannungsquelle einstellbar, bevorzugt in Abhängigkeit der Viskosität der Metallschmelze 1.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung sorgt dafür, dass ein elektrischen Feld 13 durch den Kondensator 20 erzeugt wird, wobei der Kondensator 20 vom Prinzip her wie ein Plattenkondensator funktioniert, wobei dessen eine Platte durch das flüssige Metall 1 gebildet ist und die andere Platte ein durch das Düsenmaterial isolierter elektrisch leitender Ring 14 oder eine Folie oder eine sonstige Beschichtung ist. Die flüssige Schmelze 1 wird dabei durch die Graphitelektrode 15 elektrisch angebunden. Der Kondensator 20 ist in dieser Ausführung ein Zylinderkondensator.
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Die Funktionsweise der Vorrichtung ist wie folgt; die Elektronen in der Metallschmelze 1 werden in dem durch den Kondensator 20 erzeugten elektrischen Feld 1 an die isolierende Wand, bzw. Innenwand 6 des Düsenkörpers 4, bzw. der Düsenplatte 12 gezogen und damit auch die Metallatome. Dies führt zu einer Anhaftung der Schmelze 1 an der Innenwand 6. Die elektrische Feldstärke 13 ist an der Innenwand 6 am größten, da das elektrische Feld 13 konzentrisch zum Düsenmittelpunkt verläuft. Wobei es nach der Düsenwand auf null abfällt. Dadurch können extrem hohe Feldstärken und damit Kräfte erzielt werden. Die Homogenität des elektrischen Feldes 13 kann durch weitere nicht dargestellte Hilfsfelder verbessert werden. Ein größerer Abstand der Kondensatorplatten 1, 14 erhöht die elektrische Durchschlagsfestigkeit, ohne dadurch, bei gleicher elektrischer Spannung, die elektrische Feldstärke 13 an der Düsenwand 6 zu reduzieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015206813 A1 [0003]
