DE102019219859A1

DE102019219859A1 - Nozzle device for a print head of a 3D printer

Info

Publication number: DE102019219859A1
Application number: DE102019219859.7A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Maier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düsenvorrichtung (2) für einen Druckkopf (1) eines 3D-Druckers, insbesondere Metalldruckers, wobei die Düsenvorrichtung (2) eine Führungshülse (11), eine Düsenplatte (9) mit einer Austrittsöffnung (10) und eine Spannvorrichtung (4) umfasst, wobei die Düsenplatte (9) und die Führungshülse (11) über die Spannvorrichtung (4) miteinander elastisch verspannt sind.Erfindungsgemäß umfasst die Düsenvorrichtung (2) Zentrierelemente (41, 42) zur Ausrichtung der Düsenplatte (9) in der Spannvorrichtung (4).Ferner betrifft die Erfindung einen Druckkopf (1), umfassend ein Gehäuse (3), eine Vorrichtung (28) zur Zuführung eines Metalls (14), ein Reservoir (7, 27), eine Düsenvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen Kolben (5).Und die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben und/oder zur Inbetriebnahme eines Druckkopfs (1).The invention relates to a nozzle device (2) for a print head (1) of a 3D printer, in particular a metal printer, the nozzle device (2) having a guide sleeve (11), a nozzle plate (9) with an outlet opening (10) and a clamping device (4) ), wherein the nozzle plate (9) and the guide sleeve (11) are elastically clamped to one another via the clamping device (4). According to the invention, the nozzle device (2) comprises centering elements (41, 42) for aligning the nozzle plate (9) in the clamping device ( The invention also relates to a print head (1) comprising a housing (3), a device (28) for supplying a metal (14), a reservoir (7, 27), a nozzle device (2) according to one of the preceding Claims and a piston (5). And the invention relates to a method for operating and / or starting up a print head (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Düsenvorrichtung für einen Druckkopf eines 3D-Druckers, insbesondere Metalldrucker, sowie einen Druckkopf und ein Verfahren zum Betreiben und/oder zur Inbetriebnahme eines Druckkopfes.The invention relates to a nozzle device for a print head of a 3D printer, in particular a metal printer, as well as a print head 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.

Offenlegungsschrift DE 10 2016 224 047 A1 zeigt einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, insbesondere Metalldrucker, umfassend ein Gehäuse, eine Vorrichtung zur Zuführung eines Metalls, einen Kolben, ein Reservoir mit einer Austrittsöffnung und eine Aktorvorrichtung zur Verschiebung des Kolbens.Disclosure document DE 10 2016 224 047 A1 shows a print head for a 3D printer, in particular a metal printer, comprising a housing, a device for supplying a metal, a piston, a reservoir with an outlet opening and an actuator device for displacing the piston.

Sie zeichnet sich dadurch aus, dass 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 die Austrittsöffnung für den Ausstoß von Tropfen der flüssigen Phase des Metalls ausgebildet, wobei die Austrittsöffnung die Form einer Düse aufweist und fest mit dem Schmelztiegel verbunden sein kann, oder einen wechselbaren Einsatz aufweist, der den Einsatz von unterschiedlichen Düsengeometrien erlaubt.
Auf die Befestigung des Einsatzes, bzw. die Verbindung am Druckkopf wird nicht näher eingegangen.It is characterized in that the reservoir has a melting area and a displacement space for a liquid phase of the metal, the melting area adjoining an inert atmosphere and being connected to the displacement space in such a way that the displacement of the piston causes the liquid phase of the metal to Passage through the outlet opening can be excited.
Furthermore, the outlet opening is designed for the ejection of drops of the liquid phase of the metal, the outlet opening being in the form of a nozzle and being permanently connected to the crucible, or having an exchangeable insert that allows the use of different nozzle geometries.
The attachment of the insert or the connection to the printhead is not discussed in detail.

Durch einen üblicherweise kleinen Düsenquerschnitt, werden in der Schmelze je nach Frequenz und gewünschter Tröpfchengröße sehr hohe Geschwindigkeiten erreicht. Diese können aufgrund abrasiver Eigenschaften zu einem Verschleiß der Düse führen. Weiterhin verbinden sich das reaktive flüssige Metall oder deren Legierungsbestandteile mit dem restlichen Sauerstoff in einer ansonsten inerten Atmosphäre der unter der Düse befindlichen Druckkammer. Diese Oxide lagern sich vorzugsweise in der Düse, bevorzugt im Spritzloch, oder in der von der Schmelze zeitweise bedeckten Oberfläche der Düse ab.Due to a usually small nozzle cross-section, very high speeds are achieved in the melt, depending on the frequency and the desired droplet size. Due to their abrasive properties, these can lead to wear on the nozzle. Furthermore, the reactive liquid metal or its alloy components combine with the remaining oxygen in an otherwise inert atmosphere of the pressure chamber located under the nozzle. These oxides are preferably deposited in the nozzle, preferably in the spray hole, or in the surface of the nozzle that is temporarily covered by the melt.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2017 221 178 A1 offenbart einen Druckkopf, dessen Düsenplatte auswechselbar ist. Die Düsenplatte ist jedoch nicht einfach austauschbar, da diese vertieft in und zentriert in der Führungshülse verbaut ist. Beim Tauschen der Düsenplatte im kalten Zustand kann die Düsenplatte nicht ohne Weiteres ausgetauscht werden, da ein möglicher Zentrierungsspalt beim Betrieb durch flüssiges Metall aufgefüllt und durch erstarrtes Metall eine Wiedermontage unmöglich gemacht wird Zudem verhindert bei der Inbetriebnahme ein im Zentrierungsspalt befindliches Gas ein reproduzierbaren Druckaufbau, bzw. einen reproduzierbaren Tröpfchenausstoß, da ein Kolbenhub im Bereich von unter 10µm im kompressiblen Gas des Führungsspaltes „verloren geht“. Auch kann dieser Spalt nur schwer mit Schmelze aufgefüllt werden, da sich dieser Spalt wie ein abgeschlossenes Sackloch verhält.The disclosure document DE 10 2017 221 178 A1 discloses a printhead whose nozzle plate is replaceable. However, the nozzle plate is not easily exchangeable because it is built into the guide sleeve in a recessed and centered manner. When replacing the nozzle plate in the cold state, the nozzle plate cannot be exchanged without further ado, since a possible centering gap is filled with liquid metal during operation and re-assembly is made impossible by solidified metal a reproducible ejection of droplets, since a piston stroke in the range of less than 10 µm is “lost” in the compressible gas of the guide gap. This gap can also only be filled with melt with difficulty, since this gap behaves like a closed blind hole.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckkopf für einen 3D-Drucker mit einer Düsenvorrichtung bereitzustellen, die prozesssicher und auswechselbar ist, wobei die Verbindung der Düsenvorrichtung am Druckkopf auch Temperaturen von >1000°C standhalten soll.The invention is based on the object of providing a print head for a 3D printer with a nozzle device that is process-reliable and replaceable, the connection of the nozzle device to the print head also having to withstand temperatures of> 1000 ° C.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Düsenvorrichtung für einen Druckkopf eines 3D-Druckers mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, dem erfindungsgemäßen Druckkopf und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben und/oder zur Inbetriebnahme des Druckkopfs erfüllt.The object is achieved by the nozzle device according to the invention for a print head of a 3D printer with the features according to claim 1, the print head according to the invention and the method according to the invention for operating and / or commissioning the print head.

Die erfindungsgemäße Düsenvorrichtung für einen Druckkopf eines 3D-Druckers, insbesondere Metalldruckers, umfasst zumindest eine Führungshülse, eine Düsenplatte mit einer Austrittsöffnung und eine Spannvorrichtung, wobei die Düsenplatte und die Führungshülse über die Spannvorrichtung miteinander elastisch verspannt sind, wobei die Düsenvorrichtung Zentrierelemente zur Ausrichtung der Düsenplatte in der Spannvorrichtung umfasst.The nozzle device according to the invention for a print head of a 3D printer, in particular a metal printer, comprises at least one guide sleeve, a nozzle plate with an outlet opening and a clamping device, the nozzle plate and the guide sleeve being elastically clamped to one another via the clamping device, the nozzle device comprising centering elements for aligning the nozzle plate in the clamping device.

In einer Weiterbildung sind die Zentrierelemente zwischen der Düsenplatte und der Führungshülse angeordnet.In a further development, the centering elements are arranged between the nozzle plate and the guide sleeve.

In einer Weiterbildung sind die Zentrierelemente zumindest zweiteilig ausgebildet, bzw. Sie umfassen zumindest zwei Teile.In a further development, the centering elements are designed in at least two parts, or they comprise at least two parts.

In einer Weiterbildung ist die Spannvorrichtung aus einer Düsenspannmutter gebildet.In a further development, the clamping device is formed from a nozzle clamping nut.

Die Düsenvorrichtung weist in vorteilhafter Weise mehrere Bauteile wie die Führungshülse, die Düsenplatte und die Spannvorrichtung auf, wodurch die unterschiedlichen Funktionen der Düsenvorrichtung bauteilig getrennt sind und die Herstellung der Düsenvorrichtung, bzw. der einzelnen Bauteile der Düsenvorrichtung günstig gehalten werden kann. Ferner können die einzelnen Bauteile je nach Anwendungsfall des 3D-Druckers getauscht werden. Beispielsweise ist es von Vorteil die Führungshülse auszutauschen, wenn eine geänderte Kolbengeometrie des Kolbens zum Einsatz kommt. In vorteilhafter Weise lässt sich bei Bedarf von unterschiedlichen Düsengeometrien, bzw. unterschiedlicher Geometrien der Austrittsöffnung, die Düsenplatte in einfacher Weise austauschen. Je nach benötigter elastischer Vorspannung der Bauteile zueinander ist es von Vorteil die Spannvorrichtung anzupassen oder entsprechend auszutauschen.The nozzle device advantageously has several components such as the guide sleeve, the nozzle plate and the clamping device, whereby the different functions of the nozzle device are separated and the manufacture of the nozzle device or the individual components of the nozzle device can be kept favorable. Furthermore, the individual components can be exchanged depending on the application of the 3D printer. For example, it is advantageous to exchange the guide sleeve when a changed piston geometry of the piston is used. If necessary, the nozzle plate of different nozzle geometries or different geometries of the outlet opening can advantageously be exchanged in a simple manner. Depending on the elastic preload required between the components, it is advantageous to adapt the clamping device or to exchange it accordingly.

Die Erfindung sorgt in vorteilhafter Weise dafür, dass die Düsenplatte einfacher aufgebaut werden kann, da beispielsweise kein zusätzlicher Zentrierungsbund mehr benötigt wird.
Zudem wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass kein Spalt, welcher Restgas bei der Inbetriebnahme enthält, mehr ausgebildet wird.
Des Weiteren wird in vorteilhafter Weise eine Vereinfachung des Düsenwechsels erreicht, wobei eine Zentrierung der Düsenplatte erreicht wird, indem die Zentrierelemente nach außen aus dem Schmelzen Bereich in den Bereich der Düsenspannmutter gelegt werden.The invention advantageously ensures that the nozzle plate can be constructed more simply because, for example, no additional centering collar is required.
In addition, it is achieved in an advantageous manner that a gap which contains residual gas during commissioning is no longer formed.
Furthermore, a simplification of the nozzle change is achieved in an advantageous manner, the nozzle plate being centered by placing the centering elements outwards from the melting area into the area of the nozzle clamping nut.

Durch die Erfindung wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass bei der Demontage der Düsenplatte nicht mehr der Innendurchmesser der Führungshülse komplett aufgearbeitet werden muss. Vor allem jedoch entfällt ein im Kolbenraum angeordneter Bereich eines Totraums, in welchen sich das Initial Gas halten und dadurch eine Inbetriebnahme erschweren kann.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass die Düsenspannmutter demontiert werden kann auch wenn die Düsenplatte nach dem Betrieb durch das fest gewordene Metall, bzw. Aluminium im Verdrängerraum an der Führungshülse und Düsenplatte fest haftet. Der Außendurchmesser der Düsenplatte ist bevorzugt kleiner als der Innendurchmesser der Bajonett Elemente der Düsenspannmutter.The invention advantageously ensures that the inner diameter of the guide sleeve no longer has to be completely reworked when the nozzle plate is dismantled. Above all, however, an area of a dead space which is arranged in the piston chamber and in which the initial gas can be retained and which can make commissioning difficult is omitted.
Another advantage is that the nozzle clamping nut can be dismantled even if the nozzle plate adheres firmly to the guide sleeve and nozzle plate after operation due to the solidified metal or aluminum in the displacement space. The outer diameter of the nozzle plate is preferably smaller than the inner diameter of the bayonet elements of the nozzle clamping nut.

Die Führungshülse nimmt die Düsenplatte auf, wobei diese über die Spannvorrichtung elastisch miteinander verspannt sind. Die Führungshülse ist zudem in dem Reservoir angeordnet.The guide sleeve receives the nozzle plate, these being elastically clamped to one another via the clamping device. The guide sleeve is also arranged in the reservoir.

Zudem ist in einer weiteren Ausführung die Düsenspannmutter aus einem Befestigungsmittel zur Befestigung der Düsenspannmutter an der Führungshülse und zumindest einem elastischen Segment zur axialen elastischen Verspannung der Führungshülse mit der Düsenplatte gebildet.
Durch das Befestigungsmittel kann die Düsenmutter in vorteilhafter Weise an der Führungshülse aufgenommen werden und die axiale elastische Vorspannung kann durch das zumindest eine elastische Segment der Düsenspannmutter in vorteilhafter Weise erreicht werden.In addition, in a further embodiment, the nozzle clamping nut is formed from a fastening means for fastening the nozzle clamping nut to the guide sleeve and at least one elastic segment for axially elastic bracing of the guide sleeve with the nozzle plate.
The nozzle nut can advantageously be accommodated on the guide sleeve by the fastening means and the axial elastic preload can advantageously be achieved by the at least one elastic segment of the nozzle clamping nut.

In einer bevorzugten Ausführung bildet das Befestigungsmittel der Düsenspannmutter eine Bajonette-Verbindung mit der Führungshülse, wobei das Befestigungsmittel der Düsenspannmutter aus zumindest einem zur Mittelachse der Düsenspannmutter ragenden Vorsprung gebildet ist und die Führungshülse eine vorzugsweise außenumfangsseitig angeordnete Nut zur Aufnahme des Vorsprungs der Düsenspannmutter und zumindest eine Ausnehmung zur Durchführung des zumindest einen Vorsprungs der Düsenspannmutter aufweist. Das Befestigungsmittel klemmt sowohl das separate Federelement als auch das zumindest eine elastische Segment zwischen der Düsenspannmutter und der Führungshülse. Da ein Gewinde auf der keramischen Führungshülse nicht optimal ist, ist der Bajonette-Verschluss vorzuziehen, da dieser in vorteilhafter Weise als ein keramisches Bauteil gut herzustellen ist.In a preferred embodiment, the fastening means of the nozzle clamping nut forms a bayonet connection with the guide sleeve, the fastening means of the nozzle clamping nut being formed from at least one projection protruding towards the central axis of the nozzle clamping nut and the guide sleeve having a preferably outer circumferential groove for receiving the projection of the nozzle clamping nut and at least one Has recess for the implementation of the at least one projection of the nozzle clamping nut. The fastening means clamps both the separate spring element and the at least one elastic segment between the nozzle clamping nut and the guide sleeve. Since a thread on the ceramic guide sleeve is not optimal, the bayonet lock is to be preferred, since it can advantageously be manufactured well as a ceramic component.

In einer bevorzugten Weiterbildung sind die den Verdrängerraum ausbildenden Bauteile aus einem keramischen Werkstoff gebildet und die Spannvorrichtung ist aus einem metallischen Werkstoff gebildet. Die den Verdrängerraum ausbildenden Bauteile sind der Kolben, insbesondere die Druckseite des Kolbens, die durch den Stempel des Kolbens gebildet ist, Die Innenseite der Führungshülse und die Düsenplatte.In a preferred development, the components forming the displacement space are formed from a ceramic material and the clamping device is formed from a metallic material. The components forming the displacement space are the piston, in particular the pressure side of the piston, which is formed by the piston of the piston, the inside of the guide sleeve and the nozzle plate.

Die Spannvorrichtung sollte aufgrund des bis zu einer Temperatur von ca. 1000°C Temperaturbeständig sein. Da es schwierig ist an den Verbindungstellen der Bauteile identischen Ausdehnungskoeffizienten der Bauteile zu erhalten, muss eine Kompensation vorgehalten werden. Diese Kompensation wird in vorteilhafter Weise durch die axiale elastische Vorspannung erreicht, die durch das metallische Material der Spannvorrichtung möglich ist. Keramiken weisen sehr begrenzte Elastizitäten auf und weisen vielfach deutliche Unterschiede bzgl. ihrer Ausdehnungskoeffizienten auf. Vorteilhaft sind daher Metalle, welche ausreichend Spannungen auch bei höherer Temperatur um bis zu ca. 1000° ertragen können.The clamping device should be temperature resistant up to a temperature of approx. 1000 ° C due to this. Because it is difficult to have identical joints between the components In order to obtain the expansion coefficients of the components, compensation must be provided. This compensation is achieved in an advantageous manner by the axial elastic preload, which is made possible by the metallic material of the clamping device. Ceramics have very limited elasticities and often have significant differences with regard to their coefficients of expansion. Metals are therefore advantageous which can withstand sufficient stresses even at higher temperatures of up to approx. 1000 °.

Zudem betrifft die Erfindung einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, insbesondere Metalldrucker, umfassen ein Gehäuse, eine Vorrichtung zur Zuführung eines Metalls, ein Reservoir, eine Düsenvorrichtung und einen Kolben, wobei die Düsenvorrichtung eine Führungshülse, eine Düsenplatte mit einer Austrittsöffnung und eine Spannvorrichtung aufweist, wobei die Düsenplatte und die Führungshülse über die Spannvorrichtung miteinander elastisch verspannt sind.The invention also relates to a print head for a 3D printer, in particular a metal printer, comprising a housing, a device for supplying a metal, a reservoir, a nozzle device and a piston, the nozzle device having a guide sleeve, a nozzle plate with an outlet opening and a clamping device , wherein the nozzle plate and the guide sleeve are elastically clamped to one another via the clamping device.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.Further advantageous embodiments of the invention can be found in the description of the drawings, in which the exemplary embodiments of the invention shown in the figures are described in more detail.

Es zeigen:

1 Ein Beispiel eines Druckkopfes nach Stand der Technik und
2 eine detaillierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Düsenvorrichtung des Druckkopfes.

Show it:

1 An example of a prior art printhead and FIG
2 a detailed representation of a nozzle device according to the invention of the print head.

1 zeigt ein Beispiel eines bekannten Druckkopfes 1 für einen 3D-Drucker. Der Druckkopf 1 umfasst ein Gehäuse 3, eine Vorrichtung 28 zur Zuführung eines Metalls 14 in fester Phase, ein Reservoir 7, 27, eine Düsenvorrichtung 2 mit einer Austrittsöffnung 10 und einen Kolben 5. Ferner umfasst der Druckkopf eine Aktorvorrichtung 12 zur Verschiebung des Kolbens 5. 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, bzw. das flüssige Metall 8 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 Reservoir 7, 27 ist als Schmelztiegel 27 ausgebildet, wobei außerhalb des Schmelztiegels 27 ein Induktor 35 und innerhalb des Schmelztiegels ein Sensor 36, insbesondere ein Temperatursensor angeordnet sind. Zwischen dem Schmelztiegel 27 und dem Induktor 35, bzw. der Induktor Spule 35 kann sich optional noch ein nicht dargestellter Isolator befinden. Die Grenze des Inertgases 22 zum flüssigen Metall 8 entspricht dem Füllstand des flüssigen Metalls 8 in dem Reservoir 7, 27. 1 shows an example of a known print head 1 for a 3D printer. The printhead 1 includes a housing 3 , a device 28 for feeding a metal 14th in solid phase, a reservoir 7th , 27 , a nozzle device 2 with an outlet opening 10 and a piston 5 . The print head further comprises an actuator device 12th to move the piston 5 . The reservoir 7th , 27 has a melting range 20th and a displacement space 21 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 21 is connected in such a way 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 , or the liquid metal 8th 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. The reservoir 7th , 27 is as a melting pot 27 formed, being outside the crucible 27 an inductor 35 and a sensor within the crucible 36 , in particular a temperature sensor are arranged. Between the crucible 27 and the inductor 35 , or the inductor coil 35 an isolator (not shown) can optionally also be located. The limit of the inert gas 22nd to liquid metal 8th corresponds to the level of the liquid metal 8th in the reservoir 7th , 27 .

Ferner ist das Gehäuse 3 mehrteilig ausgebildet, wobei es zumindest einen Kühlflansch 25, eine Isolierplatte 26 und das Reservoir 7, 27 umfasst. Temperaturempfindliche Bauteile der Messvorrichtung können somit vorteilhaft abgeschirmt werden.
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.Furthermore, the housing 3 formed in several parts, there being at least one cooling flange 25th , an insulating plate 26th and the reservoir 7th , 27 includes. Temperature-sensitive components of the measuring device can thus advantageously be shielded.
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 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 5, 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 5 , exercises. 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, bzw. die Nachfülleinheit 28 mündet in das Reservoir 7, 27 und ist in dem Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 angeordnet. Die Nachfülleinheit 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 das Entweichen von Energie, bzw. Gas aus der inerten Atmosphäre 22 verringert wird.The device 28 for feeding the metal 14th , or the refill unit 28 flows into the reservoir 7th , 27 and is in the cooling flange 25th and the insulating plate 26th arranged. The refill unit 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 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 closable, so that this is preferred only when the material is fed in 14th is open, whereby the escape of energy or gas from the inert atmosphere 22nd is decreased.

Das Metall 14 gelangt in einer festen Phase 14 in den Schmelzbereich 20 des Schmelztiegels und wird durch den Induktor 35 erhitzt, bis es in eine flüssige Phase 8 übergeht. Bei Erreichen einer gewünschten Prozesstemperatur der Schmelze 8, die durch den Temperatursensor 36 ermittelt wird, und des 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 35 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 35 heated until it is in a liquid phase 8th transforms. When the melt reaches a desired process temperature 8th by the temperature sensor 36 is determined, and this can be done by the printhead 1 start operations. The liquid phase 8th , or the melt 8th reaches the melt as a result of 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 21 . 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 by the inductor 35 generated heat well into the displacement space 21 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 Düsenvorrichtung 2, bzw. der Austrittsöffnung 10 der Düsenvorrichtung 2. Die Düsenvorrichtung 2 ist für den Ausstoß von Tropfen 15 der flüssigen Phase 8 des Metalls 14 ausgebildet, wobei die Düsenvorrichtung 2 eine Führungshülse 11, eine Düsenplatte 9 mit der Austrittsöffnung 10 und eine Spannvorrichtung 4 aufweist, wobei die Düsenplatte 9 und die Führungshülse 11 über die Spannvorrichtung 4 miteinander elastisch verspannt sind. Die Düsenvorrichtung 2, insbesondere die Düsenplatte 9 ist austauschbar, wodurch der Einsatz von unterschiedlichen Düsengeometrien möglich ist.When the piezoelectric actuator is actuated 12th practices the pressure side 19th of the stamp 18th a pressure on the melt 8th in the displacement space 21 in the direction of the outlet opening 10 and causes a drop to be ejected 15th through the nozzle device 2 , or the outlet opening 10 the nozzle device 2 . The nozzle device 2 is for ejecting drops 15th the liquid phase 8th of the metal 14th formed, the nozzle device 2 a guide sleeve 11 , a nozzle plate 9 with the outlet opening 10 and a jig 4th having, the nozzle plate 9 and the guide sleeve 11 via the jig 4th are elastically braced with one another. The nozzle device 2 , especially the nozzle plate 9 is interchangeable, which means that different nozzle geometries can be used.

2 zeigt eine detaillierte Darstellung der erfindungsgemäßen Düsenvorrichtung 2 des Druckkopfes 1. Dargestellt ist die Düsenvorrichtung 2, aufweisend die Führungshülse 11, die Düsenplatte 9 mit der Austrittsöffnung 10 und der Spannvorrichtung 4. Die Spannvorrichtung 4 ist aus einer Düsenspannmutter 50 gebildet, wobei diese aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist. 2 shows a detailed representation of the nozzle device according to the invention 2 of the printhead 1 . The nozzle device is shown 2 , having the guide sleeve 11 , the nozzle plate 9 with the outlet opening 10 and the jig 4th . The jig 4th is from a nozzle clamping nut 50 formed, this being formed from a metallic material.

Die Führungshülse 11 ist zur Aufnahme des Kolbens 5 ausgebildet, wobei dieser, im Speziellen der Stempel 18 des Kolbens 5, in der Führungshülse 11 in axialer Richtung geführt ist und den Verdrängerraum 21 für die flüssige Phase 8 des Metalls 14 zwischen einer Druckseite 19 des Kolbens 5, einer Innenfläche 63 der Führungshülse 11 und der Düsenplatte 9 ausbildet.The guide sleeve 11 is to accommodate the piston 5 formed, with this, in particular the stamp 18th of the piston 5 , in the guide sleeve 11 is guided in the axial direction and the displacement chamber 21 for the liquid phase 8th of the metal 14th between a print page 19th of the piston 5 , an inner surface 63 the guide sleeve 11 and the nozzle plate 9 trains.

Die den Verdrängerraum 21 ausbildenden Bauteile, insbesondere der Kolben 5, bzw. der Stempel 18 des Kolbens 5, die Führungshülse 11 und die Düsenplatte 9 sind aus einem keramischen Werkstoff gebildet.The displacement space 21 forming components, in particular the piston 5 , or the stamp 18th of the piston 5 , the guide sleeve 11 and the nozzle plate 9 are made of a ceramic material.

Die Führungshülse 11 und das Reservoir 7, 27 sind beispielsweise miteinander verklebt oder elastisch miteinander verbunden.The guide sleeve 11 and the reservoir 7th , 27 are for example glued to one another or elastically connected to one another.

Die Führungshülse 11 nimmt den Kolben 5, bzw. den Stempel 18 des Kolbens 5 auf und führt diesen in axialer Richtung des Druckkopfes 1. Ferner stützt sich die Führungshülse 11 über einen Absatz 16 innerhalb des Reservoirs 27, bzw. des Schmelztiegels ab. Die Führungshülse 11 besteht aus einem hitzebeständigen keramischen Material, da sie an ihrer Innenfläche 63 in Kontakt mit der flüssigen Phase 8 des Metalls 14 steht. Eine außenumfangsseitig angeordnete Nut 61 der Führungshülse 11 bildet mit dem Befestigungsmittel 52 der Düsenspannmutter 50 einen Bajonette-Verschluss der Spannvorrichtung 4.The guide sleeve 11 takes the piston 5 , or the stamp 18th of the piston 5 and leads it in the axial direction of the print head 1 . The guide sleeve is also supported 11 about a paragraph 16 inside the reservoir 27 , or the crucible. The guide sleeve 11 consists of a heat-resistant ceramic material as it is attached to its inner surface 63 in contact with the liquid phase 8th of the metal 14th stands. A groove arranged on the outer circumference 61 the guide sleeve 11 forms with the fastener 52 the nozzle clamping nut 50 a bayonet lock of the clamping device 4th .

Die Düsenspannmutter 50 ist aus dem Befestigungsmittel 52 zur Befestigung der Düsenspannmutter 50 an der Führungshülse 11 und zumindest einem elastischen Segment 51 gebildet. Ferner ist die Düsenspannmutter 50 aus einem hochtemperaturbeständigen Material, insbesondere aus einem metallischen Material gebildet.
Die Düsenplatte 9 und die Führungshülse 11 sind über das Befestigungsmittel 52 und das zumindest eine elastische Segment 51 der Düsenspannmutter 50 miteinander elastisch verspannt.The nozzle clamping nut 50 is out of the fastener 52 for fastening the nozzle clamping nut 50 on the guide sleeve 11 and at least one elastic segment 51 educated. Furthermore, the nozzle lock nut 50 formed from a high-temperature-resistant material, in particular from a metallic material.
The nozzle plate 9 and the guide sleeve 11 are about the fastener 52 and that at least one elastic segment 51 the nozzle clamping nut 50 elastically clamped to one another.

Das Befestigungsmittel 52 bildet mit der Nut 61 der Führungshülse 11 den Bajonette-Verschluss der Düsenvorrichtung 2. Durch das Verschließen des Bajonette-Verschlusses der Düsenvorrichtung 2 verspannt sich das zumindest eine elastische Segment 51 der Düsenspannmutter 50 an der Düsenplatte 9. Da ein Gewinde auf der keramischen Führungshülse 11 nicht optimal ist, ist der Bajonette-Verschluss vorzuziehen, da dieser als ein keramisches Bauteil gut herzustellen ist.The fastener 52 forms with the groove 61 the guide sleeve 11 the bayonet lock of the nozzle device 2 . By closing the bayonet lock of the nozzle device 2 the at least one elastic segment braces itself 51 the nozzle clamping nut 50 on the nozzle plate 9 . There is a thread on the ceramic guide sleeve 11 If the bayonet lock is not optimal, it is preferable because it is easy to manufacture as a ceramic component.

Die Düsenvorrichtung für den Druckkopf eines 3D-Druckers, insbesondere Metalldruckers umfasst Zentrierelemente 41, 42 zur Ausrichtung der Düsenplatte 9 in der Spannvorrichtung 4, wobei die Zentrierelemente 41, 42 zwischen der Düsenplatte 9 und der Führungshülse 11 angeordnet sind. Die Zentrierelemente 41, 42 umfassen zumindest zwei Teile, bzw. sind zumindest aus zwei Teilen 41, 42 gebildet.The nozzle device for the print head of a 3D printer, in particular a metal printer, comprises centering elements 41 , 42 for aligning the nozzle plate 9 in the jig 4th , the centering elements 41 , 42 between the nozzle plate 9 and the guide sleeve 11 are arranged. The centering elements 41 , 42 comprise at least two parts or consist of at least two parts 41 , 42 educated.

Die Position der Düsenplatte 9 wird grundsätzlich durch die Führungshülse 11 bestimmt. Die Düsenspannmutter 50 zentriert sich über den Außendurchmesser der Führungshülse 11 und kann dadurch die Position an die Zentrierelemente 41, 42 weitergeben. Diese wiederum bestimmen die Position der Düsenplatte 9. Die in dieser Ausführung dargestellten zwei Zentrierelemente 41, 42 entsprechen der eines in zwei Teile 41, 42 getrennten Hohlzylinders.The position of the nozzle plate 9 is basically through the guide sleeve 11 certainly. The nozzle clamping nut 50 centers itself over the outer diameter of the guide sleeve 11 and can thereby adjust the position to the centering elements 41 , 42 pass on. These in turn determine the position of the nozzle plate 9 . The two centering elements shown in this embodiment 41 , 42 correspond to that of one in two parts 41 , 42 separate hollow cylinder.

Ferner ist der Außendurchmesser der Düsenplatte 9 kleiner als der Innendurchmesser der Bajonett Elemente 52 der Düsenspannmutter 50.Furthermore, the outer diameter of the nozzle plate 9 smaller than the inner diameter of the bayonet elements 52 the nozzle clamping nut 50 .

In einer weiteren nicht dargestellten alternativen Ausführung, können die zwei hier lose dargestellten Zentrierelementen 41, 42, bzw. Führungselementen 41, 42 auch in der Düsenspannmutter 50 integriert werden. Dies würde dann in der Drehstufe der Düsenspannmutter 50 zu einem dem Außendurchmesser der Düsenplatte 9 entsprechenden Innendurchmesser führen. Ungewünscht ist es allerdings, dass dadurch die Elastizität der Federelemente 51 der Düsenspannmutter 50 reduziert werden würde, wodurch die Düsenplatte 9 weniger gut zur Führungshülse 11 geklemmt wird.In a further alternative embodiment, not shown, the two centering elements shown loosely here 41 , 42 , or guide elements 41 , 42 also in the nozzle clamping nut 50 to get integrated. This would then take place in the rotation stage of the nozzle clamping nut 50 to one of the outer diameter of the nozzle plate 9 lead corresponding inner diameter. However, it is undesirable that this reduces the elasticity of the spring elements 51 the nozzle clamping nut 50 would be reduced, thereby reducing the nozzle plate 9 less good for the guide sleeve 11 is clamped.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102016224047 A1 [0005]
DE 102017221178 A1 [0008]

Claims

Nozzle device (2) for a print head (1) of a 3D printer, in particular a metal printer, the nozzle device (2) comprising a guide sleeve (11), a nozzle plate (9) with an outlet opening (10) and a clamping device (4), wherein the nozzle plate (9) and the guide sleeve (11) are elastically clamped to one another via the clamping device (4), characterized in that the nozzle device (2) centering elements (41, 42) for aligning the nozzle plate (9) in the clamping device (4) includes.

Nozzle device (2) after Claim 1 , characterized in that the centering elements (41, 42) are arranged between the nozzle plate (9) and the guide sleeve (11).

Nozzle device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the centering elements (41, 42) are formed from at least two parts.

Nozzle device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the clamping device (4) is formed from a nozzle clamping nut (50).

Print head (1) comprising a housing (3), a device (28) for supplying a metal (14), a reservoir (7, 27), a nozzle device (2) according to one of the preceding claims and a piston (5).

Method for operating and / or commissioning a print head (1) according to Claim 5 .