DE102019219850A1 - Print head for 3D printing of metals - Google Patents
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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 der Druckkopf (1) eine Verschiebevorrichtung (40, 60) zum Ein- und Ausfahren des Kolbens (5) in oder aus dem Reservoir (7, 27) aufweist.Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben und/oder 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 space (21) in such a way that the displacement of the piston (5) allows the liquid phase (8) of the metal (14) to pass through 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 the Print head (1) a displacement device (40, 60) for extending and retracting the piston (5) in or out of the reservoir (7, 27). The invention also relates to a method for operating and / or starting up a print head (1).
Description
Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, der zum Drucken von Metallen geeignet ist und ein Verfahren zum Betreiben und/oder zur Inbetriebnahme eines Druckkopfes.The invention relates to a print head for a 3D printer, which is suitable for printing metals, and a method for operating and / or starting up a 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 are also provided for generating a relative movement between the print head and the work surface on which the object is to be created. 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 printhead 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 on the work surface is approached 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 significantly higher melting point and, at the same time, a significantly lower viscosity in the liquid state.
3D-Metalldrucker, insbesondere Drop-on-Demand-Drucker, wie beispielsweise in der Offenlegungsschrift
- • 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.
- • guarantee of long-term 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.
Problematisch kann es werden, wenn ein Kolben des Druckkopfes während des Erstarrens und des Wiederaufschmelzens in der Schmelze, bzw. im Bereich einer Düse des Druckkopfes verbleibt. Dadurch kann es passieren, dass sich die Schmelze an Stellen zwischen dem Kolben und dem Druckkopf ausdehnt, die dafür sorgen, dass ungleiche Spannungen an den Druckkopfkomponenten auftreten, wodurch diese ggf. beschädigt, oder im schlimmsten Falle zerstört werden könnten.It can be problematic if a piston of the print head remains in the melt or in the area of a nozzle of the print head during solidification and remelting. As a result, it can happen that the melt expands at points between the piston and the printhead, which ensure that unequal stresses occur on the printhead components, which could damage them or, in the worst case, destroy them.
Die Aufgabe ist einen Druckkopf zur Verfügung zu stellen, der einer Beschädigung durch das Schmelzen und Erstarren der Schmelze standhält.The task is to provide a print head that can withstand damage from melting and solidification of the melt.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Druckkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und dem Verfahren zum Betreiben und/oder zur Inbetriebnahme des Druckkopfs erfüllt.The object is achieved by the print head according to the invention with the features of claim 1 and the method for operating and / or starting up the print head.
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 Druckkopf eine Verschiebevorrichtung zum Ein- und Ausfahren des Kolbens in oder aus dem Reservoir auf.The print head according to the invention for a 3D printer, in particular a metal printer, comprises a housing, a device for supplying 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 designed in several parts, wherein it comprises at least one cooling flange, an insulating plate and the reservoir. According to the invention, the print head has a displacement device for moving the piston in and out of the reservoir.
In einer ersten Ausführungsform ist die Verschiebevorrichtung druckgesteuert ausgeführt.In a first embodiment, the displacement device is designed to be pressure-controlled.
In einer zweiten Ausführungsform ist die Verschiebevorrichtung elektrisch ausgeführt.In a second embodiment, the displacement device is designed to be electrical.
Die Verschiebevorrichtung ist in vorteilhafter Weise in den Druckkopf installiert und erfüllt die Funktion einer Kolbenaushebefunktion. Erst wenn das Druckmaterial aufgeschmolzen ist, wird der Stempel in das flüssige Metall eingefahren. Nach Beendung des Druckprozesses wird der Stempel aus dem Reservoir, bzw. dem Tiegel ausgefahren. Erst danach darf das Material erstarren.The displacement device is advantageously installed in the print head and fulfills the function of a piston lifting function. Only when the printing material has melted is the stamp inserted into the liquid metal. After the printing process has ended, the stamp is withdrawn from the reservoir or crucible. Only then is the material allowed to solidify.
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.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. Furthermore, the inert atmosphere 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 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 from the melting area either via gravitational pressure or via a combination of gravitational pressure and the atmospheric pressure of the inert gas. The outlet opening corresponds to a nozzle and can be exchanged depending on the structure of the reservoir.
The housing is advantageously designed in several parts, which ensures suitable temperature management and long-term operation through the use of different materials. The multi-part design also has a modular structure that allows components to be exchanged as required. In addition, the multi-part housing means that the print head is designed in such a way that the different functions are also performed by different components.
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 nach Stand der Technik, -
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckkopfes und -
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckkopfes.
-
1 An example of a prior art printhead, -
2 a first embodiment of a print head according to the invention and -
3 a second embodiment of a print head according to the invention.
AusführungsbeispieleEmbodiments
Der Druckkopf
Das Gehäuse
Der Kolben
Der Kühlflansch
Ferner weist der Kühlflansch
Die an dem Kühlflansch
The one on the cooling flange
Die Vorrichtung
Das Reservoir
Das Metall
Die Keramik des Stempels
The ceramic of the stamp
Bei Aktuierung des piezoelektrischen Aktors
Die Verschiebevorrichtung
Wenn der Stempel
The sliding
When the stamp
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102016224047 A1 [0005]DE 102016224047 A1 [0005]
Claims (4)
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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DE102019219850A1 true DE102019219850A1 (en) | 2021-06-17 |
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DE102019219850.3A Pending DE102019219850A1 (en) | 2019-12-17 | 2019-12-17 | Print head for 3D printing of metals |
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2019
- 2019-12-17 DE DE102019219850.3A patent/DE102019219850A1/en active Pending
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