-
Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, der zum Drucken von Metallen geeignet ist und ein Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes.
-
Stand der Technik
-
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.
-
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.
-
Gegenüber thermoplastischen Kunststoffen haben Metalle einen wesentlich höheren Schmelzpunkt und zugleich im flüssigen Zustand eine wesentlich geringere Viskosität.
-
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.
-
Um einen gleichmäßigen reproduzierbaren Druckstoß zu erzielen, muss im Druckkopf der Stempel zentrisch in ein mit Schmelze gefüllten Zylinder eintauchen. Durch wahlweise zentrische oder exzentrische Stöße (beispielsweise durch einseitiges Anliegen des Stempels) würde ein unterschiedliches Druckfeld und demensprechend unterschiedliche Tropfen erzeugen.
-
Daher ist es die Aufgabe, den Kolben reproduzierbar zu führen, im optimalen Fall möglichst Querkraftfrei, um Verschleiß oder reibungsbedingte unterschiedliche Druckfelder zu verhindern.
-
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 sollte
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Druckkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und dem Verfahren zum Betreiben des Druckkopfs erfüllt.
-
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 weist der Kolben Teilbereiche zur Führung des Kolbens im Gehäuse und zumindest einen Teilbereich zum Ausgleich, insbesondere elastische Ausgleich von Exzentrizität des Kolbens auf.
-
In einer Weiterbildung weist der Kolben zumindest eine Kolbenstange und einen Stempel auf.
-
Durch die Erfindung wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass durch eine enge Führung im Druckkopf eine reproduzierbare Druckwelle erzeugt werden kann. Ferner werden unvermeidliche Exzentrizitäten der beiden Führungen kompensiert, die aufgrund von Fertigungstoleranzen und der temperaturbedingten radialen Verschiebung der Komponenten entstehen können. Insbesondere werden diese elastisch ausgeglichen. Möglicher Verschleiß in den Führungen wird reduziert, da ausrichtende radiale Kräfte reduziert werden.
-
Eine Wärmeübertragung wird durch eine reduzierte Wärmeleitung in die obere Führung durch eine Taillierung reduziert. Dadurch wird die obere Führung vor Verschleiß geschützt, sowie ein Klemmen aufgrund dynamischer Temperaturänderung vermieden und der heiße Tiegel / Kolben wird besser isoliert. Ferner muss die obere Führung eine ausrichtende Funktion für die Kolbenstange haben (Kollinearität). Für die untere Führung ist dies nicht notwendig, bzw. nicht zielführend, um die radiale Kraft zu reduzieren. Hier wird die Führung nur kurz gestaltet um den Kolben zentrisch zu führen. Die Achsen der Kolbenstange und die der Führung müssen nicht kollinear sein, sondern lediglich ein reproduzierbares Verhalten ermöglichen.
-
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.
-
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
-
Figurenliste
-
Es zeigen:
- 1 Ein Beispiel eines Druckkopfes nach Stand der Technik,
- 2 ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Druckkopfes und
- 3 eine Detailansicht einer Kolbenstange des erfindungsgemäßen Druckkopfes.
-
Ausführungsbeispiele
-
1 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.
-
Das Gehäuse 3 ist mehrteilig ausgebildet, wobei es zumindest einen Kühlflansch 25, eine Isolierplatte 26 und das Reservoir 7, 27 umfasst.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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. Dieser wechselbare Einsatz 11 wird auch als Hülse 11, bzw. Führungshülse 11 des Kolbens bezeichnet.
-
2 zeigt ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Druckkopfes und 3 eine Detailansicht einer Kolbenstange des erfindungsgemäßen Druckkopfes. Der Kolben 5 weist erfindungsgemäß Teilbereiche 60, 70 zur Führung des Kolbens 5 im Gehäuse 3 und zumindest einen Teilbereich 80 zum Ausgleich von Exzentrizität des Kolbens 5 auf. Der Kolben 5 weist zumindest eine Kolbenstange 17 und einen Stempel 18 auf.
-
Der Kolben 5, bzw. die Kolbenstange 17 ist im oberen Bereich der Kolbenstange 17 innerhalb des Kühlflansches 25 in einem ersten Teilbereich 60 geführt, wobei dieser erste Teilbereich 60 eine genau lange Führung der Kolbenstange 17 ermöglicht, durch die eine genaue Führung und Ausrichtung der Kolbenstange 17 erreicht wird. Am oberen Ende 51 der Kolbenstange 17 wird durch eine ballige Ausgestaltung der Kolbenstange 17 eine querkraftfreie Krafteinleitung bei der Ansteuerung des Kolbens 5 erreicht. Der Kolben 5 wird an seinem unteren Bereich, bzw. im zweiten Teilbereich 70 zur Führung des Kolbens 5 in der Hülse 11 geführt. Diese Kolbenführung dient zur genauen Positionierung des Kolbens 5, bzw. des Stempels 18. Der Kolben 5 weist in seiner Mitte einen weiteren Teilbereich 80 zum Ausgleich einer Exzentrizität des Kolbens 5 auf, der zwischen den Teilbereichen 60, 70 zur Führung des Kolbens 5 angeordnet ist. In diesem Teilbereich 80 weist die Kolbenstange 17 in der Ausführungsform der 2 einen Bereich 52 mit einer geringen, bzw. minimalen Elastizität auf, die in dieser Ausführung durch eine lokale Dünndrehung 52 des Kolbens 5, bzw. der Kolbenstange 17erreicht wurde. In 3 ist ein Teilbereich 81 dargestellt, der eine maximale Dünndrehung 53 aufweist, die eine vergrößerte Elastizität ermöglicht.
-
Die Kolbenstange 17 ist erfindungsgemäß elastisch, im weitesten Sinne gemäß einer Kardanik ausgestaltet, um das Problem zu beheben, dass zwei enge Führungen in der Regel nie zueinander fluchten, zumal es bei Temperaturgängen von ca. 1000° zu einer zusätzlichen Verschiebung der Führungen kommt. Zusätzlich wird Wärme durch die hohe Temperatur ungewünscht in die obere Führung 60 übertragen welche zu deutlich höherem Verschleiß und auch zu einem ungewünschten Lagerklemmen führen kann, wenn die dynamische Temperaturänderung von Kolben 5 und Führung 60 nicht synchronisiert auftritt.
-
Die obere Führung 60 muss eine ausrichtende Funktion für die Kolbenstange 17 haben (Kollinearität). Für die untere Führung 70 ist dies nicht notwendig, bzw. nicht zielführend, um die radiale Kraft zu reduzieren. Hier wird die Führung 70 nur kurz gestaltet um den Kolben 5 zentrisch zu führen. Die Achsen des Kolbens 5und die der Führungen 60, 70 müssen nicht kollinear sein, sondern lediglich ein reproduzierbares Verhalten ermöglichen.
-
Dargestellt ist die Kolbenstange 17 aus einem 3D-Druckkopf 1 bei der die Kraft durch den sphärischen Kopf der Kolbenstange 17 möglichst querkraftfrei im Bereich 51 eingeleitet wird, damit wird der Kolben 5 nicht schon elastisch durch die Einleitung von beispielsweise max. 400N gebogen wird.
-
Unterhalb der oberen Führung 60 befindet sich der Bereich 80 in welchem die Elastizität durch konstruktive Veränderungen wie eine Taillierung 52, 53 verändert werden kann. Damit kann die sogenannte „Kardanik“ eingestellt werden. Beachtet werden muss, dass die erforderlichen Aktuierungskräfte/ Beschleunigungskräfte auch im hohen Temperaturbereich von bis ca. 1000°C übertragen werden müssen, ohne dass eine plastische Verformung geschieht. Da ein großer Anteil der Wärme über die Kolbenstange 17 nach oben in den Druckkopf 1 geleitet wird, kann dieser Verlust durch diese Taillierung 52, 53 eingestellt werden. Die Restmenge kann über die obere Führung 60 in den Kühlflansch 25 abgeleitet werden.
-
Im Bereich der unteren Führung 70 wird der Kolben 5 nur zentriert aber nicht kollinear ausgerichtet. Die zur Zentrierung notwendigen Kräfte (Reibungskräfte) werden durch den langen Hebelarm geringgehalten. Verschleißreduktion, bzw. Kolbenkräfte werden trotz Exzentrizität der Führungen 60, 70 reproduzierbarer und ein Aktuierungsstoß in die Schmelze 8 wird dadurch konstanter.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102016224047 A1 [0005]
