DE102022101339A1

DE102022101339A1 - Energiedissipative düsen für drop-on-demand-druck und verfahren davon

Info

Publication number: DE102022101339A1
Application number: DE102022101339.1A
Authority: DE
Inventors: Christoforos Somarakis; Svyatoslav Korneev; Saigopal Nelaturi; Adrian Lew
Original assignee: Palo Alto Research Center Inc
Current assignee: Palo Alto Research Center Inc
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2022-08-25
Also published as: CN114951705A; US20220266512A1; JP2022130312A

Abstract

Es wird eine Düse für ein Drucksystem offenbart. Die Düse schließt einen Tank ein, der mit einer Druckmaterialquelle in Verbindung steht. Die Düse schließt auch einen verengten dissipativen Abschnitt in Verbindung mit dem Tank ein, der einen länglichen internen Kanal einschließen kann. Die Düse kann auch eine Formgebungsspitze in Verbindung mit dem verengten dissipativen Abschnitt einschließen, die eine Austrittsöffnung einschließen kann. Der verengte dissipative Abschnitt kann achsensymmetrisch sein und kann mindestens drei interne Kanäle einschließen, die nicht miteinander in Verbindung stehen. Ebenfalls offenbart ist eine Anordnung von Düsen für ein Drucksystem, die eine Vielzahl von Düsen einschließt, wobei jede Düse einschließen kann: einen Tank, der mit einer Druckmaterialquelle in Verbindung steht, einen verengten dissipativen Abschnitt, der mit dem Tank in Verbindung steht und konfiguriert ist, um den Fluidstrom zu behindern, und der einen länglichen internen Kanal aufweist, und eine Formgebungsspitze, die mit dem verengten dissipativen Abschnitt in Verbindung steht und die eine Austrittsöffnung einschließen kann.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegend offenbarten Ausführungsformen oder Implementierungen richten sich auf energiedissipative Düsen für Drop-on-Demand-Drucksysteme und Verfahren für dasselbe.
HINTERGRUND
Drop-on-Demand-Drucksysteme (DOD-Drucksysteme), wie Tintenstrahl- oder Flüssigmetallstrahl, bieten erhebliche Vorteile gegenüber alternativen Technologien, von denen zwei das Fehlen zusätzlicher Verarbeitungsschritte nach dem Druck und die relative Erschwinglichkeit sind. Leider sind DOD-Basisleistungsmetriken (z. B. Druckgeschwindigkeit, Genauigkeit) im Durchschnitt niedriger als bei anderen Technologien und hängen von der Produktgeometrie ab. Produkte mit komplexen Geometrien, die mit Flüssigmetall-DOD-Technologien hergestellt werden, können Hunderttausende oder Millionen Tröpfchen erfordern und eine erheblich längere Herstellungszeit erfordern. Gedruckte Teile können auch von den geplanten computergestützten Entwürfen (CAD) abweichen, da sich pro abgeschiedenem Tröpfchen Fehler gegenüber der Nenngeometrie ansammeln. Darüber hinaus sind Schnelligkeit und Genauigkeit mit einem grundlegenden Kompromiss verknüpft: die Schnelligkeit des Drucks geht auf Kosten der Genauigkeit. Daher spielen die Schnelligkeit, die Form und das Volumen der Tröpfchen eine wichtige Rolle bei der Druckqualitätsmetrik.
In einem DOD-Auswurfsystem liegt der Schwerpunkt dieses grundlegenden Kompromisses in der Auswurfdüse, eine Vorrichtung, die zum Steuern von Fluidstrom konstruiert ist und Tröpfchen mit konsistenten Eigenschaften wie Form, Volumen und Schnelligkeit auswirft, um einen erforderlichen Durchsatz zu erfüllen, der durch die Masse, die pro Zeiteinheit ausgeworfen wird, gekennzeichnet ist. Die Anwendung, für die die Düse konstruiert ist, bestimmt die gewünschten Tröpfcheneigenschaften; so können zum Beispiel bei 3D-Drucksystemen große/grobe Tröpfchen aufgrund der für den Druck komplexer geometrischer Objekte erforderlichen Agilität unerwünscht sein, während bei Flüssigkeitsdosierungsanwendungen größere Tröpfchen wünschenswert sein können. Durchsatzanforderungen werden gesetzt, um das Tröpfchenauswurfsystem für die Anwendung wirtschaftlich attraktiv zu machen.
Sowohl theoretische als auch experimentelle Hinweise deuten darauf hin, dass Druckunregelmäßigkeiten aufgrund unvorhersehbarer Schnelligkeit, Form und Volumen der durch die Düse erzeugten Tröpfchen anstelle der durch die Konstruktion erwarteten konstanten Nennwerte entstehen können. Diese Unregelmäßigkeiten wurden sowohl auf die Dynamik der Flüssigkeit im Tank, der die Düse speist, als auch auf die Zeit, die die Flüssigkeit innerhalb der Düse benötigt, um zur Ruhe zu kommen, zurückgeführt, da beides die Ausgangsbedingungen und das Drucksignal, unter denen jeder neue Tropfen erzeugt wird, verändern.
Die Anforderungen an den Durchsatz und die Tröpfcheneigenschaften bedeuten wiederum eine Anforderung an die Frequenz, mit der die Düse einheitliche Tröpfchen auswerfen muss. Experimentelle Hinweise geben an, dass die Schussfrequenz für ein stabiles Tropfen-zu-Tropfen-Verhalten von der Zeit beeinflusst wird, die der Meniskus (die Grenze zwischen Fluid und Atmosphäre an der Düsenöffnung) benötigt, um sich nach dem Tröpfchenauswurf zu beruhigen, d. h. ein Tropfen sollte idealerweise ausgeworfen werden, wenn der Meniskus ruhend ist. Tröpfchen, die abgeschossen werden, nachdem der Meniskus zur Ruhe gekommen ist, zeigen konstante Eigenschaften, während das Auswerfen von Tröpfchen bei Frequenzen schneller als der Kehrwert der Beruhigungszeit zu einer signifikanten Schwankung von Tropfen zu Tropfen führen kann. Somit muss die Düse so konstruiert sein, dass die Beruhigungszeit des Meniskus nach dem Tröpfchenauswurf, auch als Relaxationszeit bezeichnet, klein genug ist, um eine gewünschte Schussfrequenz zu ermöglichen.
Eine Düse mit einer Konstruktion, die in der Lage ist, die Relaxationszeit und Tröpfcheneigenschaften gleichzeitig zu steuern, ist wünschenswert, insbesondere eine, bei der das Problem des Steuerns der Relaxationszeit von dem Problem der Tröpfchenformung entkoppelt werden kann. Benötigt werden Düsenkonstruktionen, die die oben genannten Kriterien erfüllen und gleichzeitig eine Anpassung der Druckmedien und der Anwendung ermöglichen, sowie Methoden zu deren Gestaltung.
KURZDARSTELLUNG
Im Folgenden wird eine vereinfachte Kurzdarstellung bereitgestellt, um ein grundlegendes Verständnis einiger Gesichtspunkte einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Lehren bereitzustellen. Diese Kurzdarstellung ist weder ein umfassender Überblick noch ist beabsichtigt, Schlüssel- oder kritische Elemente der vorliegenden Lehren aufzuzeigen oder den Schutzumfang der Offenbarung abzugrenzen. Vielmehr besteht ihr Hauptzweck lediglich darin, ein oder mehrere Konzepte in vereinfachter Form als Einleitung zu der später gegebenen detaillierten Beschreibung darzustellen.
Es wird eine Düse für ein Drucksystem offenbart. Die Düse schließt einen Tank ein, der mit einer Druckmaterialquelle in Verbindung steht. Die Düse schließt auch einen verengten dissipativen Abschnitt in Verbindung mit dem Tank ein, der einen länglichen internen Kanal einschließen kann. Die Düse kann auch eine Formgebungsspitze in Verbindung mit dem verengten dissipativen Abschnitt einschließen, die eine Austrittsöffnung einschließen kann.
Bestimmte Ausführungsformen der offenbarten Düse können einen verengten dissipativen Abschnitt einschließen, der konfiguriert ist, um den Fluidstrom zu behindern. Der verengte dissipative Abschnitt kann achsensymmetrisch sein und einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als ein Durchmesser des Tanks ist, oder alternativ einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als ein Durchmesser der Formgebungsspitze ist. Der verengte dissipative Abschnitt kann ferner mindestens drei interne Kanäle einschließen, die nicht miteinander in Verbindung stehen und die im Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweisen können.
In einigen Ausführungsformen kann der verengte dissipative Abschnitt der Düse mindestens zwei sich kreuzende Kanäle einschließen, die im Wesentlichen senkrecht zueinander sind. Diese sich kreuzenden Kanäle können ferner mindestens zwei Wände einschließen, die parallel zueinander sind. Der verengte dissipative Abschnitt der Düse kann drei sich kreuzende Kanäle einschließen, die in im Wesentlichen 45-Grad-Winkeln um eine Achse des verengten dissipativen Abschnitts angeordnet sind.
Bestimmte Ausführungsformen der Düse können einen verengten dissipativen Abschnitt aufweisen, der ein poröses Medium einschließen kann. Die Düse kann ferner einen konischen Übergang zwischen dem verengten dissipativen Abschnitt und der Formgebungsspitze einschließen. Die Austrittsöffnung der Formgebungsspitze kann einen zylindrischen oder einen schmalen Schlitz umfassen. Die Austrittsöffnung kann einen Krümmungsradius von weniger als 10 Prozent eines Durchmessers der Austrittsöffnung aufweisen. Die Düse kann konfiguriert sein, um durch Betreiben eines Erzeugungsereignisses, gefolgt von einem Ausstoßereignis, ein Tröpfchen auszustoßen.
Ebenfalls offenbart ist eine Düse für ein Drucksystem, einschließlich eines Tanks in Verbindung mit einer Druckmaterialquelle. Die Düse kann auch einen verengten dissipativen Abschnitt einschließen, der mit dem Tank in Verbindung steht und dazu konfiguriert ist, den Fluidstrom zu behindern, und der ferner einen länglichen internen Kanal einschließen kann. Die Düsenmatte schließt auch eine Formgebungsspitze ein, die mit dem verengten dissipativen Abschnitt in Verbindung steht und eine Austrittsöffnung aufweist, wobei die Düse konfiguriert ist, um durch Betreiben eines Erzeugungsereignisses, gefolgt von einem Ausstoßereignis, ein Tröpfchen auszustoßen.
Ebenfalls offenbart ist eine Anordnung von Düsen für ein Drucksystem, die eine Vielzahl von Düsen einschließt, wobei jede Düse einschließen kann: einen Tank, der mit einer Druckmaterialquelle in Verbindung steht, einen verengten dissipativen Abschnitt, der mit dem Tank in Verbindung steht und konfiguriert ist, um den Fluidstrom zu behindern, und der einen länglichen internen Kanal aufweist, und eine Formgebungsspitze, die mit dem verengten dissipativen Abschnitt in Verbindung steht und die eine Austrittsöffnung einschließen kann.
Bestimmte Ausführungsformen können eine Anordnung von Düsen für ein Drucksystem einschließen, die eine Vielzahl von Düsen einschließt, wobei jede Düse einschließen kann: einen Tank, der mit einer Druckmaterialquelle in Verbindung steht, einen verengten dissipativen Abschnitt, der mit dem Tank in Verbindung steht und konfiguriert ist, um den Fluidstrom zu verhindern, und der einen länglichen internen Kanal mit mindestens zwei sich kreuzenden Kanälen aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zueinander sind, und eine Formgebungsspitze, die mit dem verengten dissipativen Abschnitt in Verbindung steht und die eine Austrittsöffnung einschließen kann.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen, die in diese Patentschrift aufgenommen und Teil dieser Patentschrift sind, veranschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Lehren. Diese und/oder andere Gesichtspunkte und Vorteile in den Ausführungsformen der Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich und leichter zu erkennen sein, wobei:

1 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften additiven Fertigungsbeschichtungsvorrichtung oder eines 3D-Druckers, die eine Düsenkonstruktion gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen enthält.
2A veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen Düsenkonstruktion nach dem Stand der Technik.
2B veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Düsenkonstruktion gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen.
3 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Düsenkonstruktion gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen.
4A bis 4D veranschaulichen mehrere mehrabschnittige Düsen gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen.
5A und 5B veranschaulichen schematische seitliche Querschnittsansichten einer nicht verengten und einer verengten Düsenkonstruktion gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen.
6A und 6B veranschaulichen schematische Querschnittsansichten von Simulationen, die unter Verwendung einer standardmäßigen bzw. einer verengten achsensymmetrischen Düsenkonstruktion erzeugt werden, die zu verschiedenen Zeitpunkten gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen präsentiert werden.
7 ist eine seitliche Querschnittsansicht, die das Konzept der Meniskusverschiebung relativ zu einer Vorderseite einer Ausführungsform einer Düse gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen veranschaulicht.
8 ist eine grafische Darstellung, die eine simulierte Meniskusverschiebung in Abhängigkeit von der Zeit für den Ausstoß eines Tröpfchens aus der verengten und der nicht verengten Düsenausführungsform der 6A und 6B veranschaulicht.
9 veranschaulicht eine grundlegende Abstraktion der Düse und des Substratteils einer Druckerausführungsform.
10 veranschaulicht eine grafische Darstellung einer Wellenform, die für einen Druckimpuls repräsentativ ist, der an einer oberen Grenze einer Düse gemäß Ausführungsformen hierin angelegt wird.
11A bis 11F sind eine Reihe von grafischen Darstellungen, die mehrere Tröpfchensimulationen von verengten und nicht verengten Düsen für drei Ausstoßfrequenzen gemäß Ausführungsformen hierin veranschaulichen. Tröpfchenvolumen und volumengemittelte Geschwindigkeiten sind gegen Tröpfchenanzahl aufgetragen.
12 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Düsenkonstruktion gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen, die die Parametrisierung der verengten achsensymmetrischen Düsenkonstruktion veranschaulicht.
13A und 13B sind grafische Darstellungen der volumengemittelten Geschwindigkeit des ausgestoßenen Tröpfchens in Abhängigkeit vom Verengungsdurchmesser bzw. des Volumens des ausgestoßenen Tröpfchens in Abhängigkeit vom Verengungsdurchmesser.
14 ist eine räumlich/zeitlich skalierte grafische Darstellung einer charakteristischen Wellenform, die ihre positiven und negativen Komponenten gemäß einer Ausführungsform zeigt.
15A bis 15D sind eine Reihe von vier grafischen Darstellungen, die Ergebnisse der parametrischen Simulation eines positiven Teils der Wellenform von 14 und die Auswirkung der Wellenform auf die Tröpfchengeschwindigkeit und das Tröpfchenvolumen gemäß einer Ausführungsform veranschaulichen.
16A und 16B veranschaulichen Draufsichten eines dissipativen Abschnitts in einer Mehrkanaldüse mit vier Kanälen bzw. fünf Kanälen.
17 ist eine grafische Darstellung, die eine simulierte Meniskusverschiebung in Abhängigkeit von der Zeit für den Ausstoß eines Tröpfchens aus den Mehrkanaldüsen-Ausführungsformen von 16A und 16B im Vergleich zu einer standardmäßigen, nicht verengten Düsenkonstruktion-Ausführungsform veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung verschiedener typischer Gesichtspunkte ist lediglich beispielhafter Natur und soll die Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
Wie durchgehend verwendet, werden Bereiche als Abkürzung für die Beschreibung jedes einzelnen Werts verwendet, der innerhalb des Bereichs liegt. Jeder Wert innerhalb des Bereichs kann als Ende des Bereichs ausgewählt werden. Darüber hinaus werden alle hierin zitierten Referenzen hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen. Im Falle eines Widerspruchs zwischen einer Definition in der vorliegenden Offenbarung und derjenigen in einer zitierten Referenz ist die vorliegende Offenbarung maßgeblich.
Zusätzlich sind alle numerischen Werte „etwa“ oder „ungefähr“ der angegebene Wert und berücksichtigen experimentelle Fehler und Variationen, die von einem Durchschnittsfachmann erwartet werden würden. Es versteht sich, dass alle hierin offenbarten Zahlenwerte und Bereiche ungefähre Werte und Bereiche sind, ob „etwa“ in Verbindung damit verwendet wird oder nicht. Es versteht sich auch, dass sich der Begriff „etwa“, wie hierin verwendet, in Verbindung mit einer Ziffer auf einen Wert bezieht, der ±0,01 % (einschließlich), ±0,1 % (einschließlich), ±0,5 % (einschließlich), ±1 % (einschließlich) dieser Zahl, ±2 % (einschließlich) dieser Zahl, ±3 % (einschließlich) dieser Zahl, ±5 % (einschließlich) dieser Zahl, ± 10 % (einschließlich) dieser Zahl oder ±15 % (einschließlich) dieser Zahl betragen kann. Es sollte ferner beachtet werden, dass, wenn hierin ein numerischer Bereich offenbart ist, ein beliebiger numerischer Wert, der in den Bereich fällt, auch spezifisch offenbart wird.
Wie hierin verwendet, ist der Begriff „oder“ ein einschließender Operator und entspricht dem Begriff „und/oder“, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt. Der Begriff „basierend auf“ ist nicht exklusiv und gestattet, auf zusätzlichen Faktoren zu basieren, die nicht beschrieben sind, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt. In der Patentschrift schließt die Angabe von „mindestens eines von A, B und C“ Ausführungsformen ein, die A, B oder C, mehrere Beispiele von A, B oder C oder Kombinationen von A/B, A/C, B/C, A/B/B /B/B/C, A/B/C usw. enthalten. Darüber hinaus schließt die Bedeutung von „ein/einer“ und „der/die/das“ die Pluralbezüge ein. Die Bedeutung von „in“ schließt „in“ und „auf“ ein.
Es wird nun ausführlich auf beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Lehren Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Wo immer dies möglich ist, werden in den Zeichnungen dieselben Bezugsnummern verwendet, um auf gleiche, ähnliche oder gleichartige Teile Bezug zu nehmen.
Die vorliegende Offenbarung richtet sich auf additive Fertigungsvorrichtungen oder 3D-Drucker und Verfahren für dieselben. Insbesondere richtet sich die vorliegende Offenbarung auf gezielte Heizsysteme für die 3D-Drucker und Verfahren für dieselben. Die Bildung von Strukturen mit geschmolzenen Metalltröpfchen ist ein komplexer thermofluidischer Prozess, der das Wiederaufschmelzen, Koaleszieren, Abkühlen und Erstarren beinhaltet. Durch mangelhafte Wiederaufschmelzung und unzureichende metallurgische Bindung bei ungeeigneten Temperaturen entstehen an der Grenzfläche zwischen den geschmolzenen Metalltröpfchen und zuvor abgeschiedenem Material oder Substraten (z. B. Tröpfchen) Hohlräume und kalte Überlappungen (fehlende Verschmelzung). Die Grenzflächentemperatur wird hauptsächlich durch die Tröpfchentemperatur und die Oberflächentemperatur des zuvor abgeschiedenen Materials oder Substrats bestimmt. Das Erhalten und Halten der genauen Teileform und der z-Höhe wird auch durch die gleichen Faktoren negativ beeinflusst. Eine zu geringe Grenzflächentemperatur führt zu einer Bildung von Hohlräumen und kalten Überlappungen aufgrund von unzureichendem Wiederaufschmelzen und Koaleszenz. Bei einer zu hohen Grenzflächentemperatur fließen die neuen Tröpfchen vor dem Erstarren von der Oberfläche des zuvor abgeschiedenen Materials weg, was zur Fehlbildung von Teileform und z-Höhenfehlern führt. Die Grenzflächentemperatur kann durch die anfängliche Tröpfchentemperatur, die Oberflächentemperatur des Bauteils, die Bauplattentemperatur, die Tropfenfrequenz und die z-Höhe des Teils beeinflusst werden. Sie kann bis zu einem gewissen Grad durch die Optimierung der Prozessparameter gesteuert werden, aber die beteiligten thermischen Prozesse können zu langsam sein, um mit den Veränderungen und der Dynamik Schritt zu halten, die während des Druckens der Teile auftreten und die zu inakzeptablen Grenzflächentemperaturen führen können. Wie hierin weiter beschrieben, können die Zielheizsysteme in der Lage oder dazu konfiguriert sein, die Grenzflächentemperaturen und/oder Temperaturgradienten eines Substrats und/oder eines Bereich in der Nähe des Substrats zu modifizieren, um die Korngröße, das Wachstum und/oder die Struktur des Metalls zu steuern, aus dem ein mit dem 3D-Drucker hergestellter Gegenstand besteht, um die vorstehend genannten Probleme zu lösen. Zum Beispiel kann das Zielheizsystem in der Lage oder dazu konfiguriert sein, die Grenzflächentemperaturen und/oder Temperaturgradienten eines Schmelzbades zu modifizieren, um die Korngröße, das Wachstum und/oder die Struktur des Metalls, aus dem der Gegenstand besteht, zu steuern und dadurch die Aufbaufestigkeit, die Haftung, die Porosität und/oder die Oberflächenbeschaffenheit zu verbessern und Risse und Brüche im Gegenstand zu verhindern.
1 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Drop-on-Demand-Druckvorrichtung (DOD-Druckvorrichtung) oder eines 3D-Druckers 100, die ein gezieltes Heizsystem 102 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen enthält. Der 3D-Drucker 100 kann ein Flüssigmetallstrahldrucksystem sein, wie ein magnetohydrodynamischer (MHD) Drucker. Es versteht sich jedoch, dass jede Drop-On-Demand-Druckvorrichtung (DOD-Druckvorrichtung) die hierin offenbarten Komponenten und Verfahren verwenden kann. Der 3D-Drucker 100 kann einen Druckkopf 104, einen Tisch 106, ein Rechensystem 108, das Zielheizsystem 102 oder eine beliebige Kombination davon einschließen. Das Rechensystem 108 kann betriebsfähig und/oder kommunikativ mit einer oder mehreren der Komponenten des 3D-Druckers 100 gekoppelt sein. Das Rechensystem 108 kann in der Lage oder dazu konfiguriert sein, eine oder mehrere der Komponenten des 3D-Druckers 100 zu betreiben, zu modulieren, anzuweisen, Daten von ihnen zu empfangen oder ähnliches. Der Druckkopf 104 kann einen Körper 110 einschließen, der hierin auch als Pumpenkammer bezeichnet werden kann, ein oder mehrere Heizelemente (eines wird gezeigt 112), eine oder mehrere metallische Spulen 114 oder eine beliebige Kombination davon, die betriebsfähig miteinander gekoppelt sind. Wie in 1 veranschaulicht, können die Heizelemente 112 mindestens teilweise um den Körper 110 herum positioniert sein, und die metallischen Spulen 114 können mindestens teilweise um den Körper 110 und/oder die Heizelemente 112 positioniert sein. Wie hierin verwendet, kann sich ein Substrat 116 auf eine Oberfläche des Tisches 106, ein zuvor aufgebrachtes Druckmaterial oder Metall (z. B. Metalltröpfchen), einen aus dem 3D-Drucker 100 oder einem Abschnitt davon hergestellten Gegenstand 118, eine Platte 128, wie eine beheizte Platte oder Bauplatte, die auf dem Tisch 106 angeordnet ist, und/oder entsprechende Oberflächen davon beziehen. Wie in 1 veranschaulicht, kann das Substrat 116 auf oder über dem Tisch 106 und unter dem Körper 110 angeordnet sein. Der Körper 110 kann eine innere Oberfläche 120 aufweisen, die ein inneres Volumen 122 davon definiert. Der Körper 110 kann eine Düse 124 definieren, die an einem ersten Endabschnitt des Körpers 110 positioniert ist. Der Körper 110 des Druckkopfs 104 kann auch mehr als eine Düse 124 definieren, die in Verbindung miteinander betrieben werden können oder alternativ unabhängig voneinander betreibbar sein können.
In einem beispielhaften Betrieb des 3D-Druckers 100 unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1 kann ein Baumaterial (z. B. Metall) von einer Quelle 126 auf das innere Volumen 122 des Körpers 110 gerichtet sein. Die Heizelemente 112 können das in dem inneren Volumen 122 des Körpers 110 enthaltene Baumaterial zumindest teilweise schmelzen. Zum Beispiel kann das Baumaterial ein Feststoff, wie ein festes Metall, sein, und die Heizelemente 112 können den Körper 110 erwärmen und dadurch das Baumaterial von einem Feststoff zu einer Flüssigkeit (z. B. geschmolzenem Metall) erwärmen. Die metallischen Spulen 114 können mit einer Stromquelle (nicht gezeigt) gekoppelt sein, die in der Lage oder dazu konfiguriert ist, die Ablagerung des Baumaterials auf dem Substrat 116 zu erleichtern. Zum Beispiel können die metallischen Spulen 114 und die damit gekoppelte Stromquelle in der Lage oder dazu konfiguriert sein, ein Magnetfeld zu erzeugen, das eine elektromotorische Kraft innerhalb des Körpers 110 erzeugen kann, wodurch ein induzierter elektrischer Strom in dem geschmolzenen Metall erzeugt wird, das in dem Körper 110 angeordnet ist. Das Magnetfeld und der induzierte elektrische Strom in dem geschmolzenen Metall können eine radial nach innen gerichtete Kraft auf das flüssige Metall generieren, die als Lorentzkraft bekannt ist, die einen Druck an der Düse 124 generiert. Der Druck an der Düse 124 kann das geschmolzene Metall in Form eines oder mehrerer Tropfen aus der Düse 124 in Richtung des Substrats 116 und/oder des Tisches 106 ausstoßen, um dadurch mindestens einen Abschnitt des Gegenstands 118 zu bilden.
In mindestens einer Ausführungsform kann das Baumaterial ein oder mehrere Metalle und/oder Legierungen davon sein oder einschließen. Veranschaulichende Baumaterialien können, ohne darauf beschränkt zu sein, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Messing, Bronze, Chrom, Kobalt-Chrom-Legierungen, Kupfer, Kupferlegierungen, Eisenlegierungen (Invar), Nickel, Nickellegierungen (Inconel), Nickel-Titan-Legierungen (Nitinol), Edelstahl, Zinn, Titan, Titanlegierungen, Gold, Silber, Molybdän, Wolfram oder dergleichen oder Legierungen davon oder eine beliebige Kombination davon sein. Es versteht sich, dass die Tröpfchen- und Substrattemperaturen für unterschiedliche Metalle unterschiedlich sind.
In einer anderen Ausführungsform kann das Baumaterial ein oder mehrere polymere Materialien oder Polymere oder Verbundstoffe davon sein oder einschließen. Die Polymere können funktionelle Polymere sein oder einschließen. Veranschaulichende funktionelle Polymere können wärmebeständige Polymere, leitfähige Polymere, piezoelektrische Polymere, fotosensitive Polymere oder eine beliebige Kombination davon einschließen, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Polymere können auch, ohne darauf beschränkt zu sein, Polymere auf Polyolefinbasis, Polymere auf Acrylbasis, Polymere auf Polyurethanbasis, Polymere auf Etherbasis, Polymere auf Polyesterbasis, Polymere auf Polyamidbasis, Polymere auf Formaldehydbasis, Polymere auf Siliciumbasis oder eine beliebige Kombination davon sein. Die Polymere können beispielsweise Poly(etheretherketon) (PEEK), TORLON®, Polyamid-Imide, Polyethylen (PE), Polyvinylfluorid (PVF), Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenchlorid (PVDC), Polychlortrifluorethylen (PCTFE), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polypropylen (PP), Poly(1-buten), Poly(4-methylpenten), Polystyrol, Polyvinylpyridin, Polybutadien, Polyisopren, Polychloropren, Styrol-Acrylnitril-Copolymer, Acrylnitril-Butadien-Styrol Terpolymer, Ethylen-Methacrylsäure-Copolymer, Styrol-Butadien-Kautschuk, Tetrafluorethylen-Copolymer, Polyacrylat, Polymethacrylat, Polyacrylamid, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinylbutyral, Polyvinylether, Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylcarbazol, Polyurethan, Polyacetal, Polyethylenglykol, Polypropylenglykol, Epoxidharze, Polyphenylenoxid, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polydihydroxymethylcyclohexylterephthalat, Celluloseester, Polycarbonat, Polyamid, Polyimid, deren Copolymere oder eine beliebige Kombination davon einschließen, sind aber nicht darauf beschränkt. In mindestens einer Ausführungsform kann das Polymer ein Elastomer, einen Synthesekautschuk oder eine beliebige Kombination davon sein oder einschließen. Veranschaulichende elastomere Materialien und synthetische Kautschuke können VITON®, Nitril, Polybutadien, Acrylnitril, Polyisopren, Neopren, Butylkautschuk, Chloropren, Polysiloxan, Styrol-Butadien-Kautschuk, Hydrin-Kautschuk, Silikon-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymere, beliebige Copolymere davon oder eine beliebige Kombination davon einschließen.
In einer beispielhaften Ausführungsform schließt das Polymer Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polycarbonat (PC), Polymilchsäure (PLA), Polyethylen hoher Dichte (HDPE), Polyphenylsulfon (PPSU), Poly(meth)acrylat, Polyetherimid (PEI), Polyetheretherketon (PEEK), hochschlagzähes Polystyrol (HIPS), thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polyamide (Nylon), Verbundwerkstoffe davon oder Kombinationen davon ein.
In mindestens einer Ausführungsform kann der 3D-Drucker 100 ein Überwachungssystem 130 einschließen, das in der Lage oder dazu konfiguriert ist, eine oder mehrere Komponenten oder Abschnitte des 3D-Druckers 100, die Bildung des Gegenstands 118, einen oder mehrere Abschnitte des Substrats 116, einen oder mehrere Bereiche in der Nähe des Substrats 116 und/oder die Ablagerung der Tröpfchen zu steuern und/oder zu überwachen. Zum Beispiel kann das Überwachungssystem 130 eine oder mehrere Beleuchtungseinrichtungen (nicht gezeigt) einschließen, die in der Lage oder dazu konfiguriert sind, die Temperatur von Tröpfchen, Bauteil, Bauplatte und Substrat zu messen, die Form und z-Höhe des Bauteils zu messen, die Größe und Rate von Tröpfchen zu messen oder dergleichen, oder eine beliebige Kombination davon. Veranschaulichende Beleuchtungseinrichtungen können, ohne darauf beschränkt zu sein, Laser, LEDs, Lampen verschiedener Art, faseroptische Lichtquellen oder dergleichen oder Kombinationen davon sein. In einem anderen Beispiel kann das Überwachungssystem 130 einen oder mehrere Sensoren (nicht gezeigt) einschließen, die in der Lage oder dazu konfiguriert sind, eine Temperatur einer oder mehrerer Komponenten oder Abschnitte des 3D-Druckers 100 zu messen. Veranschaulichende Sensoren können Pyrometer, Thermistoren, Bildgebungskameras, Fotodioden oder dergleichen oder Kombinationen davon sein, sind aber nicht darauf beschränkt. Das Überwachungssystem 130 kann auch in der Lage oder dazu konfiguriert sein, Rückmeldungen bereitzustellen oder mit dem Rechensystem 108 zu kommunizieren.
In mindestens einer Ausführungsform können sich eine oder mehrere Komponenten des 3D-Druckers 100 unabhängig voneinander bewegen. Zum Beispiel können sich ein oder mehrere von dem Druckkopf 104, dem Tisch 106 und der damit gekoppelten Platte 128, dem Zielheizsystem 102, dem Überwachungssystem 130 oder eine beliebige Kombination davon unabhängig in der x-Achse, der y-Achse und/oder der z-Achse in Bezug auf eine oder mehrere der anderen Komponenten des 3D-Druckers 100 bewegen. In einer anderen Ausführungsform können beliebige zwei oder mehr der Komponenten des 3D-Druckers 100 miteinander gekoppelt sein; und können sich somit miteinander bewegen. Zum Beispiel können der Druckkopf 104 und das Zielheizsystem 102 über eine Halterung (nicht gezeigt) miteinander gekoppelt sein, sodass die Bewegung oder Translation des Druckkopfs 104 in der x-Achse, der y-Achse und/oder der z-Achse zu einer entsprechenden Bewegung des Zielheizsystems 102 in der x-Achse, der y-Achse bzw. der z-Achse führt. In ähnlicher Weise können das Zielheizsystem 102 und der Tisch 106 über eine Halterung (nicht gezeigt) miteinander gekoppelt sein, sodass die Bewegung des Zielheizsystems 102 in der x-Achse, der y-Achse und/oder der z-Achse zu einer entsprechenden Bewegung des Tisches 106 in der x-Achse, der y-Achse bzw. der z-Achse führt.
In bestimmten Ausführungsformen können verschiedene Baumaterialien bestimmte Konstruktionsbetrachtungen beeinflussen, basierend auf den Druckmaterialeigenschaften und -zusammensetzung, insbesondere bei der Ausstoßtemperatur. Geschmolzene Metall- und/oder geschmolzene Druckmaterialien auf Polymerbasis können eine unterschiedliche Viskosität, Oberflächenspannung und andere Eigenschaften bei der Ausstoßtemperatur aufweisen, die sich auf die Düsenkonstruktion und andere Drucksystemparameter auswirken und diese beeinflussen, wie Magnetfeldeinstellungen, elektrische Stromeinstellungen, sowie andere Parameter, die die Kräfte beeinflussen, die auf das geschmolzene oder flüssige Druckmaterial einwirken, um Druck an der Düse 124 zu erzeugen. Ebenso können wasserbasierte Materialien noch andere Konstruktionsbetrachtungen erfordern, um Drücke an der Düse 124 zu generieren, die zum Drucken in verschiedenen Drop-on-Demand-Druck- und Tropfenauswurfkonfigurationen geeignet sind.
Düsenkonstruktion für gepulste Tröpfchenauswurfsysteme
In bestimmten Ausführungsformen eines DOD-Auswurfsystems oder DOD-Druckers ist die Düse dazu konstruiert, den Fluidstrom zu steuern und Tröpfchen mit konsistenten Eigenschaften (Form/Volumen/Schnelligkeit) auszuwerfen, um einen erforderlichen Durchsatz (ausgeworfene Masse pro Zeiteinheit) zu erfüllen. Die Anwendung, für die die Düse konstruiert ist, bestimmt die gewünschten Tröpfcheneigenschaften; so können zum Beispiel bei 3D-Drucksystemen große/grobe Tröpfchen aufgrund der für den Druck komplexer geometrischer Objekte erforderlichen Agilität unerwünscht sein, während bei Flüssigkeitsdosierungsanwendungen größere Tröpfchen besser geeignet sind. Durchsatzanforderungen werden gesetzt, um das Tröpfchenauswurfsystem für die Anwendung wirtschaftlich attraktiv zu machen.
Dem Fachmann ist bekannt, dass Druckunregelmäßigkeiten aufgrund unvorhersehbarer Schnelligkeit, Form und Volumen der durch die Düse erzeugten Tröpfchen anstelle der durch die Konstruktion erwarteten konstanten Nennwerte auftreten können. Diese Unregelmäßigkeiten können auf die Kräfte zurückzuführen sein, die in einer Düse für das Ausstoßen eines Druckmaterials erforderlich sind in Hinblick auf die Dynamik der Flüssigkeit in dem die Düse speisenden Tank und auf die Zeit, die die Flüssigkeit innerhalb der Düse benötigt, um zur Ruhe zu kommen, da beide Attribute die Ausgangsbedingungen und das Drucksignal, unter denen jeder neue Tropfen erzeugt wird, verändern.
In bestimmten Ausführungsformen können die Systemeingaben, die sich auf den Durchsatz und die Tröpfcheneigenschaften beziehen, letztendlich die verfügbare Frequenz vorgeben, mit der die Düse gleichmäßige Tröpfchen ausstoßen muss. Die Schussfrequenz, die für ein stabiles Tropfen-zu-Tropfen-Verhalten erforderlich ist, kann von der Zeit beeinflusst werden, die der Meniskus, oder die Grenze zwischen Fluid und Atmosphäre an der Düsenöffnung, benötigt, um sich nach dem Tröpfchenauswurf zu beruhigen, d. h. vorgeben, dass ein Tropfen idealerweise ausgeworfen werden sollte, wenn der Meniskus ruhend ist. Tröpfchen, die abgeschossen werden, nachdem der Meniskus zur Ruhe gekommen ist, zeigen konstantere Eigenschaften, während das Auswerfen von Tröpfchen bei Frequenzen schneller als der Kehrwert der Beruhigungszeit zu einer signifikanten Schwankung von Tropfen zu Tropfen führen kann. Somit muss die Düse so konstruiert sein, dass die Beruhigungszeit des Meniskus nach dem Tröpfchenauswurf, im Folgenden als Relaxationszeit bezeichnet, klein genug ist, um eine gewünschte Schussfrequenz zu ermöglichen. Ein Verfahren zum Konstruieren einer Düse zum gleichzeitigen Steuern der Relaxationszeit und Tröpfcheneigenschaften beim Ausstoßen ist in bestimmten Ausführungsformen vorteilhaft. Eine optimierte Düse kann konstruiert werden, indem das Problem der Steuerung der Relaxationszeit von dem Problem der Formung des Tropfens in einer Ausstoßdüse entkoppelt wird.
2A veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen Düsenkonstruktion nach dem Stand der Technik. Die allgemeine Struktur der Düse 200 schließt einen Tank 202 und eine Spitze 204 ein. 2B veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Düsenkonstruktion gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen. In einer beispielhaften Ausführungsform besteht die Düse 206 aus drei zusammenhängenden Abschnitten - dem oberen Tankabschnitt 208, in dem das flüssige Material gelagert ist, einem dissipativen Abschnitt 210, der dazu ausgelegt ist, eine gewünschte maximale Frequenz zu ermöglichen, mit der Tröpfchen ausgestoßen werden können, und einem Formgebungsabschnitt 212, der auch als Formgebungsspitze bezeichnet wird, der in der Lage ist, Tröpfchen mit konsistenten Eigenschaften bezüglich Form und Größe auszustoßen. Bestimmte Ausführungsformen von Druckern, wie hierin beschrieben, können eine Sammlung von einer oder mehreren solcher Düsen 206 aufweisen, die angeordnet und konfiguriert sind, um Tröpfchen gleichzeitig auszuwerfen, sodass sich die ausgeworfenen Tröpfchen kombinieren können, um ein einzelnes Tröpfchen zu bilden. In hierin beschriebenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Konstruieren eines dissipativen Abschnitts 210, der in der Lage ist, Energie basierend auf dem Behindern des Fluidstroms durch den dissipativen Abschnitt zu dissipieren, verwendet werden, indem eine Kombination aus der Gestaltung der Düsengeometrie mit verengten Durchgängen für den Fluidstrom, der Einführung eines porösen Hindernisses für den Fluidstrom oder Kombinationen davon bestimmt wird. In hierin beschriebenen Ausführungsformen kann der dissipative Abschnitt ein achsensymmetrischer Abschnitt der Düse zwischen dem Tank und der Formgebungsspitze oder dem Formgebungsabschnitt sein.
In der in 2B gezeigten Ausführungsform weist eine beispielhafte Düse einen Tank in Verbindung mit einem dissipativen Abschnitt und einen Formgebungsabschnitt in Verbindung mit dem dissipativen Abschnitt auf, der ebenfalls mit einem Formgebungsabschnitt in Verbindung steht. Die Funktion des dissipativen Abschnitts der Düse besteht darin, Fluidenergie zu dissipieren und den Impulsverlust zu erhöhen, was wiederum eine Meniskusdämpfungsrate erhöht und somit die Relaxationszeit verringert. Die Relaxationszeit, τ, wird definiert als die Zeit, die es für eine Verformung eines Meniskus aus flüssigem Druckmaterial an einer geraden Vorderseite einer Düse benötigt, um in einen Ruhezustand zurückzukehren, nachdem ein Tropfen des Druckmaterials ausgestoßen worden ist. Die Relaxationszeit, t, ist die Zeit, die für eine exponentiell abnehmende Variable, in diesem Fall die Amplitude einer gedämpften Schwingung, benötigt wird, um von einem Anfangswert auf 1/e oder 0,368 dieses Anfangswerts zu verringern (wobei e die Basis von natürlichen Logarithmen ist). Dieser Wert kann als konsistenter Index zum Messen der Zeit betrachtet werden, die für einen Meniskus an einer Düsenseite benötigt wird, um zu einem statischen Gleichgewicht zurückzukehren. Der Formgebungsabschnitt ist dazu ausgelegt, im Vergleich zu länglichen Tröpfchen, die einfacher zu erzeugen sind, tropfenförmige Tröpfchen mit einem vorgeschriebenen Volumen und Geschwindigkeit des Massenschwerpunkts zu erzeugen. Die kooperative Konstruktion der beiden Abschnitte ermöglicht das gleichzeitige Steuern der Schnelligkeit des Massenschwerpunkts jedes Tröpfchens und der Anzahl der pro Impuls ausgebildeten Tröpfchen. Unter einem Impuls kann ein Drucksignal am oberen Ende der Düse verstanden werden, das dazu bestimmt ist, ein oder mehrere Tröpfchen aus der Düse auszustoßen.
Konstruktion des dissipativen Abschnitts
In bestimmten Ausführungsformen können dissipative Abschnitte mit konstantem Querschnitt für die Herstellung von Konstruktionsparametern betrachtet werden, obwohl konstante Querschnitte nicht erforderlich sind. Die Relaxationszeit ist proportional zu einer konstanten Querschnittsfläche des dissipativen Abschnitts. Daher kann x durch geeignete Auswahl von geometrischen Parametern eingestellt werden, die die Querschnittsfläche im dissipativen Abschnitt definieren. Die Relaxationszeit ist weitgehend unabhängig von der Länge des dissipativen Abschnitts und als solcher sollte der dissipative Abschnitt lang genug sein, um herstellbar und starr zu sein. Wenn die Düse in einem stationären Zustand betrieben wird, sollte die Fluidmenge, die sich durch den dissipativen Abschnitt bewegt, um den Formgebungsabschnitt zu erreichen, mindestens gleich der Masse des ausgeworfenen Tröpfchens sein. In bestimmten Ausführungsformen könnte auch etwas zusätzliches Fluid fließen und später wieder in eine Pumpe oder ein Reservoir fließen, die/das mit dem Tankabschnitt der Düse in Verbindung steht. In bestimmten Ausführungsformen werden die für die Konstruktion des dissipativen Abschnitts ausgewählten Parameter so gewählt, dass sie die Relaxationszeit des Meniskus an der Austrittsöffnung einer Düse steuern.
In bestimmten Ausführungsformen ist es wünschenswert, ein einzelnes Tröpfchen auszuwerfen, das nicht in Satellitentröpfchen aufgeteilt wird. Um dies zu vermeiden, sollten die Geschwindigkeiten innerhalb des Tröpfchens nicht zu unterschiedlich von denen des Massenschwerpunkt des Tröpfchens sein. Die kinetische Energie, die das Tröpfchen mit sich führt, ist ungefähr proportional zur Masse des Tröpfchens mal der Geschwindigkeit des Massenschwerpunkts zum Quadrat. Wenn sich das Fluid schneller durch den dissipativen Abschnitt bewegt als die erwartete Geschwindigkeit des Tröpfchens, muss die überschüssige kinetische Energie, die es mit sich trägt, nach dem Auswerfen des Tröpfchens dissipiert werden. Je größer die Fluidgeschwindigkeit durch den dissipativen Abschnitt ist, desto mehr Energie muss dissipiert werden, desto höher sind die Energiekosten für den Betrieb der Düse und desto länger dauert es, bis die Schwingungen des Meniskus auf ein akzeptables Niveau abklingen und desto niedriger ist die Betriebsfrequenz. Daher sollte die Schnelligkeit des Fluids durch den dissipativen Abschnitt nicht viel größer sein als die gewünschte Schnelligkeit des Massenschwerpunkts des ausgeworfenen Tröpfchens. Außerdem würde im stationären Betrieb das Fluid bereits im Formgebungsabschnitt zu Beginn jedes Impulses eine Schnelligkeit nahe Null aufweisen, und es sollte auf die gewünschte Schnelligkeit des auszustoßenden Tröpfchens beschleunigt werden. Wenn die Schnelligkeit des Fluids durch den dissipativen Abschnitt zu groß ist, sind die Druckerhöhung und die viskosen Kräfte in dem Formgebungsabschnitt nicht ausreichend, um das Fluid darin zu beschleunigen, was dazu führen kann, dass mehrere Tröpfchen ausgeworfen werden, oder ein Tröpfchen, das bald nach dem Auswerfen zerbricht oder einfach ein sehr längliches Tröpfchen mit kleinem Durchmesser. Gleichzeitig sollte das Fluid, das durch den Formgebungsabschnitt strömt, eine ausreichend hohe Schnelligkeit und somit kinetische Energie aufweisen, um den Meniskus aufzublähen, sodass die Schnelligkeit des Fluids durch den dissipativen Abschnitt notwendigerweise größer sein muss als die gewünschte Schnelligkeit des Massenschwerpunkts des Tröpfchens. Angesichts der qualitativen Beziehung zwischen der Fluidgeschwindigkeit im dissipativen Abschnitt, der Meniskusberuhigungszeit und der Tröpfchenschnelligkeit nutzen wir eine klassische Idee in der Strömungsdynamik, um den dissipativen Abschnitt zu gestalten, d. h. die Behinderung des Durchfluss eines Fluids kann zur Kontrolle von Druckabfall und Geschwindigkeitsänderungen verwendet werden. In hierin beschriebenen Ausführungsformen können Hindernisse durch Drosselung oder Verengung der Fluidbewegung, wie bei Venturi-Düsen, und/oder alternativ durch den Einbau durchlässiger Medien in den dissipativen Abschnitt realisiert werden.
3 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Düsenkonstruktion gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen. Ein Austrittsabschnitt des dissipativen Abschnitts 302 ist gezeigt, der zu einer Austrittsöffnung 304 des Formgebungsabschnitts führt, wobei die Austrittsöffnung einen Krümmungsradius aufweist, p, 306, der die Düsenkonstruktion beeinflusst. In bestimmten Ausführungsformen beeinflussen die Länge und die Abmessungen einer Übergangszone zwischen dem dissipativen Abschnitt und dem Formgebungsabschnitt auch die Dissipation von Energie innerhalb eines fluidischen Druckmaterials, das sich durch eine Düse bewegt. In bestimmten Ausführungsformen ist die Querschnittsfläche des dissipativen Abschnitt 302 kleiner als die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung 304. Der Krümmungsradius, p, 306 an der Austrittsöffnung 304 definiert die Dynamik des Meniskus, auf die später noch näher eingegangen wird.
4A bis 4D veranschaulichen mehrere mehrabschnittige Düsen gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen. 4A zeigt eine achsensymmetrische Düsenausführungsform, die einen dissipativen Abschnitt mit verengtem Kanal aufweist. Der dissipative Abschnitt ist im Vergleich zum Durchmesser des Tanks und zum Durchmesser des Formgebungsabschnitts als Verengung ausgebildet. Angesichts der Anforderung, dass das ausgestoßene fluide Druckmaterial nach dem Verlassen des dissipativen Abschnitts langsamer werden muss, ergibt sich aus der Massenerhaltung, dass sich der dissipative Abschnitt öffnen muss, um die Querschnittsfläche im Formgebungsabschnitt zu vergrößern. Wenn ein Druckimpuls auf das Druckmaterial oben am Tank ausgeübt wird, erreicht die Flüssigkeit im Dissipationsabschnitt im Vergleich zum Geschwindigkeitssziel eine sehr große Impulskraft. Dadurch wird die Flüssigkeit im Formgebungsabschnitt unter Druck gesetzt. Wenn die Schnelligkeit zu hoch ist und die Querschnittsfläche zwischen dem dissipativen Abschnitt und dem Formgebungsabschnitt klein ist, weist das aus der Düse ausgeworfene Tröpfchen in seinem Anfangsgeschwindigkeitsfeld eine sehr große Dispersion auf. Partikel in einem solchen Tröpfchen können sich daher mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, die im Vergleich zu den Zielwerten zu hoch oder zu niedrig sind. Tröpfchen, die sich auf diese Weise verhalten, sind anfällig für eine inakzeptable Form und brechen wahrscheinlich auseinander, bevor sie das Substrat erreichen. Um diesen unerwünschten Effekten entgegenzuwirken und die Gleichmäßigkeit der Tröpfchen zu maximieren, muss die Flüssigkeit im Formgebungsabschnitt, die ausgestoßen werden soll, gleichmäßig durch den Schub aus dem Dissipationsabschnitt beschleunigt werden. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die Querschnittsfläche, d. h. die Fläche, die die beiden Abschnitte verbindet, zu erhöhen. Ein zusätzlicher Vorteil der Vergrößerung dieser Querschnittsfläche besteht darin, dass die unerwünschten hohen Schnelligkeiten, die im Dissipationsabschnitt entstehen, verlangsamt werden können. Während dem Fachmann verengte Düsen bekannt sind, stellt die Verwendung eines verengten Dissipationsabschnitts in Kombination mit einem entsprechenden Formgebungsabschnitt in DOD-Druckanwendungen zur Steuerung der Meniskusschwingung und Tröpfcheneigenschaften, wie hierin beschrieben, Vorteile bereit. 4A veranschaulicht eine achsensymmetrische verengte Düse 400, die einen Tank 402 aufweist, der einen gegebenen Durchmesser 404 wie angegeben aufweist. Der Tank 402 ist ein Reservoir oder ein Behälter für flüssiges oder geschmolzenes Druckmaterial, das in dieser Ansicht nicht eingeschlossen ist. Der Tank 402 steht in Fluidverbindung mit einem dissipativen Abschnitt 406, der in dieser Ausführungsform als ein Zylinder dargestellt ist. Dieser zylindrische dissipative Abschnitt 406 definiert einen Durchmesser 408, der als kleinerer Durchmesser 408 als der angegebene Durchmesser 404 des Tanks 402 angegeben ist. Der zylindrische dissipative Abschnitt 406 definiert ferner eine Länge, l_D 410. Druckmaterial wird aus dem Tank 402 in den zylindrischen dissipativen Abschnitt 406 über Schwerkraft, Überdruck oder andere dem Fachmann bekannte Mittel zugeführt. Der zylindrische dissipative Abschnitt 406 steht in Fluidverbindung mit einem Formgebungsabschnitt 412. Der Formgebungsabschnitt 412 definiert auch einen Durchmesser 414, der als ein größerer Durchmesser 414 im Vergleich zu dem Durchmesser 408 des zylindrischen dissipativen Abschnitts 406 angegeben ist. Der Formgebungsabschnitt 412 definiert ferner eine Länge, ls 416. Dies stellt eine Düse 400 mit einem geometrisch verengten dissipativen Abschnitt 406 im Vergleich zu dem Tank 402 und dem Formgebungsabschnitt 412 bereit. Es versteht sich, dass sich der Meniskus eines Druckmaterials, das durch eine solche Düse ausgestoßen wird, in einer verengten Düse schneller beruhigt als in einer nicht verengten Düse.
4B zeigt eine Düsenausführungsform, die einen dissipativen „Duschkopf‟-Kanalabschnitt aufweist. Dies kann auch als dissipativer Kanal bezeichnet werden, der mindestens zwei interne Mehrfachkanäle aufweist. Die beispielhafte Ausführungsform der Duschkopfkanaldüse 420 definiert einen Tank 422, der einen gegebenen Durchmesser 424 wie angegeben aufweist. Der Tank 422 ist ein Reservoir oder ein Behälter für flüssiges oder geschmolzenes Druckmaterial, das in dieser Ansicht nicht eingeschlossen ist. Der Tank 422 steht in Fluidverbindung mit einem dissipativen Abschnitt 426, der in dieser Ausführungsform als ein Zylinder dargestellt ist. Der dissipative Abschnitt 426 schließt drei einzelne interne längliche zylindrische Kanäle ein. Während in dieser Ausführungsform drei interne Kanäle 426A, 426B, 426C veranschaulicht sind, können alternative Ausführungsformen so wenige wie zwei interne Kanäle, so viele wie zehn interne Kanäle oder möglicherweise mehr einschließen, je nach Anforderungen der Düsenkonstruktion, die durch die Abmessungen und das Gleichgewicht zwischen den Systemparametern vorgegeben sind. Jeder interne zylindrische Kanal 426A, 426B, 426C hat einen Kanaldurchmesser d_C 428, der angegeben ist als kleinerer Durchmesser 428 als der angegebene Durchmesser 424 des Tanks 422 sowie als kleiner als der Gesamtdurchmesser des gesamten dissipativen Abschnitts 428 (der hier nicht angegeben ist). Während die in dieser Ausführungsform veranschaulichten drei internen Kanäle 426A, 426B, 426C den gleichen Durchmesser aufweisen, können alternative Ausführungsformen von Düsen unterschiedliche Durchmesser je nach Systemanforderungen aufweisen. Der dissipative Abschnitt 426 definiert ferner eine Länge, l_D 430. Druckmaterial wird aus dem Tank 422 an den dissipativen Abschnitt 426 über Schwerkraft, Überdruck oder andere dem Fachmann bekannte Mittel zugeführt. Der dissipative Abschnitt 426 und insbesondere die drei internen Kanäle 426A, 426B, 426C sind in Fluidverbindung mit einem Formgebungsabschnitt 432. Es ist zu beachten, dass die drei internen Kanäle nicht in direkter Verbindung miteinander sind, sondern jeweils mit dem Tank 422 und mit dem Formgebungsabschnitt 432 der Düse 420 von 4B in Verbindung stehen. Der Formgebungsabschnitt 432 definiert auch einen Durchmesser 434, der angegeben ist als ein ähnlicher Durchmesser 434 im Vergleich zum Gesamtdurchmesser des dissipativen Abschnitts 426, jedoch größer als der Kanaldurchmesser d_C 428 jedes der drei internen Kanäle 426A, 426B, 426C des ableitenden Abschnitts 426, unabhängig davon, ob sie einzeln oder kombiniert sind. Der Formgebungsabschnitt 432 definiert ferner eine Länge, ls 434. Dies stellt eine Düse 420 mit einem geometrisch verengten dissipativen Abschnitt 426 im Vergleich zu dem Tank 422 und dem Formgebungsabschnitt 432 bereit, unabhängig vom Gesamtdurchmesser der Düse 420 selbst. Derartige Hindernisse für den Fluidstrom wie ein dissipativer Abschnitt mit schmalen Kanälen, die eine kumulative Querschnittsfläche aufweisen, die mit anderen hierin beschriebenen Düsenausführungsformen vergleichbar ist, verteilen den dissipativen Abschnitt, wodurch ein gleichmäßigerer Schub des bereits im Formgebungsabschnitt befindlichen Fluids und daher des Meniskus bereitgestellt wird. Dies kann das Ausstoßen einzelner Tröpfchen aus einer Düse mit einer größeren Flexibilität hinsichtlich der Auswahl von Drucksignalen erleichtern. Da alle Kanäle in der Düse 420 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, skaliert die Relaxationszeit mit der Summe der Flächen der internen Kanäle 426A, 426B, 426C.
4C zeigt eine Düsenausführungsform, die einen dissipativen „Kreuzkanal-"Abschnitt aufweist. Dies kann auch als dissipativer Kanal bezeichnet werden, der mehrere achsensymmetrische Parallelplattenkanäle aufweist. Diese Ausführungsform der Kreuzkanaldüse 436 definiert einen Tank 438, der einen gegebenen Durchmesser 440 wie angegeben aufweist. Der Tank 438 ist ein Reservoir oder ein Behälter für flüssiges oder geschmolzenes Druckmaterial, das in dieser Ansicht nicht eingeschlossen ist. Der Tank 438 steht in Fluidverbindung mit einem dissipativen Abschnitt 442, der in dieser Ausführungsform insgesamt als Zylinder dargestellt ist. Der dissipative Abschnitt 442 schließt einen ersten Satz paralleler Platten 444A, einen zweiten Satz paralleler Platten 444B, einen dritten Satz paralleler Platten 444C und einen vierten Satz paralleler Platten 444D ein. Jeder der vier Sätze paralleler Platten 444A, 444B, 444C, 444D ist entlang einer Länge des dissipativen Abschnitts 442 miteinander verbunden, wodurch vier miteinander verbundene Kanäle ausgebildet werden. Dieser verengte dissipative „Kreuzkanal“-Abschnitt weist zwei sich kreuzende Kanäle auf, die im Wesentlichen senkrecht zueinander sind, und die zwei sich kreuzenden Kanäle weisen zwei Wände auf, die parallel zueinander sind. Alternative Ausführungsformen können drei oder mehr sich kreuzende Kanäle aufweisen, die in im Wesentlichen 45-Grad-Winkel um eine Achse des verengten dissipativen Abschnitts angeordnet sind. Während vier Sätze paralleler Platten 444A, 444B, 444C, 444D, die gleichmäßig um eine Mittelachse des dissipativen Abschnitts 442 mit ungefähr 90 Grad voneinander beabstandet sind, in dieser Ausführungsform veranschaulicht sind, können alternative Ausführungsformen so wenige wie zwei interne Kanäle, so viele wie zehn interne Kanäle oder möglicherweise mehr einschließen, je nach Anforderungen der Düsenkonstruktion, die durch die Abmessungen und das Gleichgewicht zwischen Systemparametern vorgegeben sind. Darüber hinaus können alternative Ausführungsformen um eine Mittelachse von etwa 10 Grad voneinander bis etwa 345 Grad voneinander beabstandet sein und müssen nicht gleichmäßig beabstandet sein. Jeder interne Kanal, der durch die vier Sätze paralleler Platten 444A, 444B, 444C, 444D definiert ist, weist einen Kanalabstand zwischen jedem Satz paralleler Platten, hier nicht angegeben, auf, der ein kleinerer Abstand als der angegebene Durchmesser 440 des Tanks 438 ist, sowie kleiner als der Gesamtdurchmesser des gesamten dissipativen Abschnitts 442 (der hier nicht angegeben ist). Während die vier Sätze paralleler Platten 444A, 444B, 444C, 444D, die in dieser Ausführungsform veranschaulicht sind, den gleichen Abstand zwischen jeder der parallelen Platten aufweisen, die den Satz bilden, können alternative Ausführungsformen von Düsen unterschiedliche Abstände zwischen jedem Satz von Platten in Abhängigkeit von den Systemanforderungen aufweisen. Der dissipative Abschnitt 442 definiert ferner eine Länge, 1D 446. Druckmaterial wird aus dem Tank 438 an den dissipativen Abschnitt 442 über Schwerkraft, Überdruck oder andere dem Fachmann bekannte Mittel zugeführt. Der dissipative Abschnitt 442 und insbesondere die vier Sätze paralleler Platten 444A, 444B, 444C, 444D sind in Fluidverbindung mit einem Formgebungsabschnitt 448. Es ist zu beachten, dass die vier Sätze paralleler Platten 444A, 444B, 444C, 444D auch in direkter Verbindung miteinander sowie mit dem Tank 438 und mit dem Formgebungsabschnitt 448 der Düse 436 von 4C stehen. Der Formgebungsabschnitt 448 definiert auch einen hier nicht angegebenen Durchmesser, der ein ähnlicher Durchmesser wie der Gesamtdurchmesser des dissipativen Abschnitts ist, jedoch größer ist als der Abstand zwischen jedem Satz der vier Sätze paralleler Platten 444A, 444B, 444C, 444D des dissipativen Abschnitts 426. Der Formgebungsabschnitt 448 definiert ferner eine Länge, lS 450. Dies stellt eine Düse 436 mit einem geometrisch verengten dissipativen Abschnitt 442 im Vergleich zu dem Tank 438 und dem Formgebungsabschnitt 448 bereit, unabhängig vom Gesamtdurchmesser der Düse 436 selbst. In einer Ausführungsform der Düse 436 behindert der dissipative Abschnitt 426 die Fluidbewegung durch den kreuzförmigen Kanal. Das Fluid durch diesen Abschnitt ähnelt der Strömung zwischen parallelen Platten, sodass die Relaxationszeit als Quadrat der Dicke des Kreuzes skaliert. Durch Hinzufügen mehrerer Arme oder Sätze von parallelen Innenwänden oder Platten zu den miteinander verbundenen Kanälen, die das Kreuz, beispielsweise ein Sternchen, bilden, kann die Gesamtfläche des Kreuzkanals des dissipativen Abschnitts 426 vergrößert werden, ohne die Relaxationszeit zu verändern, wodurch es möglich wird, das Fluid gleichmäßiger zu schieben, die Schnelligkeit zu verringern, mit der das Fluid den dissipativen Abschnitt 426 durchqueren muss, und somit eine robustere und energetisch effizientere Düse zu schaffen. In einigen Ausführungsformen kann davon ausgegangen werden, dass die Fläche des Kreuzkanals des dissipativen Abschnitts 426 kleiner ist als die Fläche der Austrittsöffnung des Formgebungsabschnitts 448. In bestimmten Ausführungsformen kann der dissipative Abschnitt einer Düse mit Kreuzkanal sechs miteinander verbundene Kanäle, acht miteinander verbundene Kanäle oder mehr aufweisen. Während keine theoretische Grenze für miteinander verbundene Kanäle bekannt ist, sollte die resultierende Gesamtquerschnittsfläche die des Formgebungsabschnitts nicht überschreiten, um einen verengten dissipativen Abschnitt aufrechtzuerhalten.
4D zeigt eine Düsenausführungsform, die einen dissipativen Abschnitt mit einem obstruktiven Medium aufweist. Eine beispielhafte Ausführungsform der Düse mit einem obstruktiven Medium 452 definiert einen Tank 454, der einen gegebenen Durchmesser 456 wie angegeben aufweist. Der Tank 454 ist ein Reservoir oder ein Behälter für flüssiges oder geschmolzenes Druckmaterial, das in dieser Ansicht nicht eingeschlossen ist. Der Tank 454 steht in Fluidverbindung mit einem dissipativen Abschnitt 458, der in dieser Ausführungsform insgesamt als ein Zylinder dargestellt ist. Der dissipative Abschnitt 458 schließt ein obstruktives Medium 460 ein, das den Fluidstrom durch den dissipativen Abschnitt 458 einengt, indem es mehrere zufällige Pfade oder Kanäle dort hindurch aufweist. Die Pfade durch das obstruktive Medium 460 können entlang einer Länge des dissipativen Abschnitts 458 miteinander verbunden sein. Optionen für obstruktive Medien oder anderweitig poröse Medien können Schaumstoffe, wie Polymerschaum, Keramik oder Schaumstoffe auf Metallbasis, wie Titanschaum, je nach Temperatur und Beschaffenheit des Druckmediums einschließen. Darüber hinaus können alternative Ausführungsformen je nach Systemanforderungen unterschiedliche Permeabilität oder Porositätswerte aufweisen. Der dissipative Abschnitt 458 definiert ferner eine Länge, l_D 462. Druckmaterial wird aus dem Tank 454 an den dissipativen Abschnitt 458 über Schwerkraft, Überdruck oder andere dem Fachmann bekannte Mittel zugeführt. Der dissipative Abschnitt 458 und insbesondere das obstruktive Medium 460 steht in Fluidverbindung mit einem Formgebungsabschnitt 464. Es ist zu beachten, dass interne Kanäle, die durch das obstruktive Medium 460 ausgebildet werden, auch in direkter Fluidverbindung miteinander stehen können, sowie mit dem Tank 454 und mit dem Formgebungsabschnitt 464 der Düse 452 von 4D. Der Formgebungsabschnitt 464 definiert auch einen hier nicht angegebenen Durchmesser, der ein ähnlicher Durchmesser wie der Gesamtdurchmesser des dissipativen Abschnitts 458 ist, jedoch größer ist als der theoretische Durchmesser aller kombinierten Kanäle innerhalb des obstruktiven Mediums 460 im dissipativen Abschnitt 426. Der Formgebungsabschnitt 464 definiert ferner eine Länge, ls 466. Dies stellt eine Düse 452 mit einem geometrisch verengten dissipativen Abschnitt 458 im Vergleich zu dem Tank 454 und dem Formgebungsabschnitt 464 bereit, unabhängig vom Gesamtdurchmesser der Düse 452 selbst. Im Gegensatz zu den in den 4A bis 4C veranschaulichten geometrischen Behinderungen veranschaulicht die in 4D gezeigte Düse, die ein obstruktives Medium aufweist, eine Düse, die eine Energiedissipation bereitstellen kann, indem die Permeabilitätseigenschaften des Mediums gesteuert werden.
5A und 5B veranschaulichen schematische seitliche Querschnittsansichten einer nicht verengten und einer verengten Düsenkonstruktion gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen. Die 5A und 5B veranschaulichen die Unterscheidung zwischen einer standardmäßigen nicht verengten Düse 500 von 5A und einer verengten Düse 502 mit einem dissipativen Abschnitt 510, der in 5B als eine Verengung ausgebildet ist. Die verengte Düse 500 von 5A besteht aus einem Tankabschnitt 504 und einem Formgebungsabschnitt 506. In der nicht verengten Düse 500 können die Meniskusberuhigungszeit und Tröpfcheneigenschaften nicht unabhängig gesteuert werden. 5B definiert auch einen Tankabschnitt 508, den verengten dissipativen Abschnitt 510 und einen Formgebungsabschnitt 512, der eine allgemeinere Ausführungsformen der hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zeigt. Um die Auswirkung der Verengung auf die Relaxationszeit und die Form des Tröpfchens unter diesen verschiedenen Bedingungen zu veranschaulichen und zu bestätigen, können mit Hilfe der Open-Source-Software OpenFOAM2 (https://www.openfoam.com) realitätsnahe Simulationen durchgeführt werden, bei denen die für das Fluid geltenden Gleichungen gelöst werden. Beispielsimulationen werden in den Beispielen beschrieben und in den 6A und 6B für Standard- und verengte achsensymmetrische Konstruktionen veranschaulicht.
6A und 6B veranschaulichen schematische Querschnittsansichten von Simulationen, die unter Verwendung einer standardmäßigen bzw. einer verengten achsensymmetrischen Düsenkonstruktion erzeugt werden, die zu verschiedenen Zeitpunkten gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen präsentiert werden. 6A zeigt eine Reihe von Schnappschüssen aus einer OpenFOAM2-Tröpfchensimulationsstudie, die unter Verwendung einer standardmäßigen oder nicht verengten Kanaldüse erzeugt wird. Die aufeinanderfolgenden gezeigten Bilder sind repräsentativ für Schnappschüsse der simulierten Tröpfchen, die zu Zeiten (t) gemacht wurden, wobei jeweils t = 0, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8 und 0,9 ms ist. 6B zeigt eine Reihe von Schnappschüssen aus einer OpenFOAM2-Tröpfchensimulationsstudie, die unter Verwendung einer achsensymmetrischen oder verengten Kanaldüse erzeugt wird. Die aufeinanderfolgenden gezeigten Bilder sind repräsentativ für Schnappschüsse der simulierten Tröpfchen, die zu Zeiten (t) gemacht wurden, wobei jeweils t = 0, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8 und 0,9 ms ist.
7 ist eine seitliche Querschnittsansicht, die das Konzept der Meniskusverschiebung relativ zu einer Vorderseite einer Ausführungsform einer Düse gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen veranschaulicht. Die Düse 700 weist eine allgemeine Struktur auf, die den hierin beschriebenen anderen Ausführungsformen ähnlich ist und einen Austrittsabschnitt des dissipativen Abschnitts 702 einschließt, der zu einer Austrittsöffnung 704 des Formgebungsabschnitts der Düse 700 führt. Die Düse 700 ist mit dem Druckmaterial 706 gefüllt, das von der Düse 700 ausgestoßen werden kann, wenn die Düse 700 in einer Anordnung von Düsen, einer Druckkopfanordnung oder einem Drucksystem enthalten ist. Eine Ebene einer Vorderseite der Düse 708 ist als Referenzpunkt für den Ort des Druckmaterials 706 innerhalb einer Düse 700 in einem idealerweise ruhenden Zustand angegeben. Während Druckvorgängen wird, wenn ein Druckmaterial aus einer Düse ausgestoßen wird und sich ein Tröpfchen ablöst, eine Position der Meniskusverschiebung 710 gezeigt. Diese Grenze und der Ort der Meniskusverschiebung 710 zeigt eine Grenzflächengrenze, die schwingt, wenn das Druckmaterial 706 sich in der Düse noch nach dem Ablösen des Tröpfchens beruhigt. Die Zeit, die dieser Meniskusverschiebung und dem Beruhigen zugeordnet ist, definiert die Relaxationszeit, τ, die einer bestimmten Düsenkonstruktion zugeordnet ist.
8 ist eine grafische Darstellung, die eine simulierte Meniskusverschiebung in Abhängigkeit von der Zeit für den Ausstoß eines Tröpfchens aus der verengten und der nicht verengten Düsenausführungsform der 6A und 6B veranschaulicht. Sowohl die Kurve für die nicht verengte Düse als auch die Kurve für die verengte Düse veranschaulichen die Meniskusverschiebung und die damit verbundenen Schwingungen des Meniskus, wenn er sich auf eine Ebene der Stirnfläche einer Düse einschwingt, wie in Bezug auf 7 gezeigt und beschrieben. Die Darstellung in 8 zeigt die Meniskusverschiebung für die nicht verengte Düse und die verengte Düse in Abhängigkeit von der Zeit. Die grafische Darstellung in 8 veranschaulicht auch einen exponentiellen Abfall, der an jede Kurve für die nicht verengte Düse und die verengte Konstruktionsdüse angepasst ist, der die Relaxationszeit definiert, τ, sowohl jeweils für die nicht verengte Düse als auch für die verengte Düse. Die Darstellung zeigt deutlich die Verkürzung der Relaxationszeit aufgrund des verengten dissipativen Abschnitts in der verengten Düsenkonstruktion im Vergleich zu der nicht verengten Düsenkonstruktion. Ebenfalls zu beobachten ist die geringere Magnitude der Schwingungen bei dem verengten dissipativen Abschnitt in der verengten Düsenkonstruktion im Vergleich zu der nicht verengten Düsenkonstruktion.
Konstruieren des Formgebungsabschnitts
In bestimmten Ausführungsformen definiert die erforderliche Relaxationszeit einer Düsenkonstruktion das Verhältnis x für den dissipativen Abschnitt, wobei A die Querschnittsfläche des Kanals des dissipativen Abschnitts ist, δ eine charakteristische Länge für die Fluidgrenzschicht innerhalb des dissipativen Abschnitts ist, und S der Umfang des Querschnitts des dissipativen Abschnitts ist. Der Wert von x ist immer kleiner oder gleich der kleinsten charakteristischen Abmessung des Querschnitts, sodass seine obere Grenze auch durch die Geometrie definiert ist. Das erforderliche Volumen des Tröpfchens und seine Schnelligkeit definieren die Querschnittsfläche der Austrittsöffnung des Formgebungsabschnitts einer Düse. Das Volumen des Tröpfchens ist ungefähr proportional zu R³, wobei R der Radius der Austrittsöffnung im Formgebungsabschnitt ist. Wenn die Geschwindigkeit des Massenschwerpunkts des Tröpfchens daher x ist, dann sollte die Geschwindigkeit innerhalb des dissipativen Abschnitts ≈ VπR²/4 sein. Da A durch Auswählen eines Querschnitts für den dissipativen Abschnitt mit einem geeigneten A so gewählt werden kann, dass es nahe πR² ist, ist es möglich, eine Düse so zu konstruieren, dass diese Schnelligkeit sehr nahe an der des Massenschwerpunkts liegt. Wenn zum Beispiel in einer Ausführungsform gemäß einer Düsenkonstruktion, wie in 4C veranschaulicht, bei der die Düsenausführungsform einen dissipativen Kreuzkanal-Abschnitt aufweist, zusätzliche Sätze paralleler Platten von 4 auf 6 Sätze paralleler Platten erhöht werden, nimmt A zu, aber A/S bleibt ungefähr konstant. Diese Schnelligkeit definiert dann die Stärke des Drucksignals, die beim Ausstoßen von Druckmaterial aus einer wie hierin beschrieben konstruierten Düse verwendet werden soll.
In Bezug auf die Form der Austrittsöffnung in bestimmten Ausführungsformen könnten mehrere mögliche Formen betrachtet werden, wie eine elliptische Öffnung oder ein schmaler Schlitz, aber die kreisförmige Öffnung dürfte dem Fachmann allgemein als ideal beim Erhalten eines einzelnen Tröpfchens pro Impuls bekannt sein. Daher basiert die folgende Erörterung auf einer Austrittsöffnung mit einer kreisförmigen Form. In bestimmten Ausführungsformen gibt der Durchmesser der Austrittsöffnung des Formgebungsabschnitts das Tröpfchenvolumen und die Form vor, die aus einer Düse ausgeworfen werden. Bei einem sehr kleinen Durchmesser müsste ein langes Tröpfchen durch die Düse erzeugt werden, um eine gegebene Masse zu erreichen, und ein solches Tröpfchen würde vor Erreichen einer solchen Masse ausgestoßen werden. Ein analoges Argument kann über einen großen Durchmesser hergestellt werden, indem eine Düse mit größerem Durchmesser eine Wellenform erfordern kann, die eine längere Schubzeit aufweist, was zu länglichen Tröpfchen mit inakzeptabler Form führen könnte. Somit wird ein Mechanismus benötigt, um zu verhindern, dass sich der Meniskusrand eines Tröpfchens über die Ebene der Vorderseite der Austrittsöffnung hinaus bewegt. In einigen Ausführungsformen kann dies unter Verwendung einer scharfen Kante, einer scharfen Oberflächenunregelmäßigkeit oder einer Modifikation der Kontaktwinkeleigenschaften des Druckmaterials implementiert werden. Der Krümmungsradius, p, an der Austrittsöffnung, wie in Bezug auf 3 gezeigt und beschrieben, definiert die Dynamik des Meniskus. Wenn dieser Krümmungsradius, p, in Bezug auf den Radius der Austrittsöffnung sehr klein ist, dann wird der Meniskus weitgehend am Rand der Austrittsöffnung fixiert. Wenn der Krümmungsradius, p, ein signifikanter Bruchteil des Radius des Austrittslochs (beispielsweise 10 %) ist, dann bewegt sich der Meniskus auf der Krümmung der Austrittsöffnung in einem größeren Ausmaß auf und ab, da er nach dem Auswerfen des Tröpfchens aus der Düse schwingt. Daher kann der Krümmungsradius, p, in bestimmten Ausführungsformen weniger als 10 Prozent des Radius der Austrittsöffnung in Bezug auf das Steuern des Meniskusverhaltens an der Austrittsöffnung betragen.
In bestimmten Ausführungsformen einer Düsenkonstruktion beeinflusst die Länge des Formgebungsabschnitts mehrere Faktoren. Ein sehr langer Formgebungsabschnitt in einer Düse kann dazu führen, dass zwei Tröpfchen ausgestoßen werden: ein langsamer Tröpfchenausstoß aufgrund des Drucks, der durch das eintretende Druckmaterialfluid erzeugt wird, und ein zweiter Tröpfchenausstoß, wenn der in den Formgebungsabschnitt eintretende Fluidstrom aus dem dissipativen Abschnitt nicht ausreichend verlangsamt oder dissipiert wird. In anderen Ausführungsformen stellt die Gestaltung des Formgebungsabschnitts, wenn ein Formgebungsabschnitt eine Zwischenlänge aufweist, ein Möglichkeit für das eintretende Druckmaterialfluid bereit, den Druck im Formgebungsabschnitt zu erhöhen und das im Formgebungsabschnitt befindliche Druckmaterialfluid zu schieben, um ein größeres Tröpfchen zu bilden. Bei einem Druckmaterialfluid mit ausreichend hoher Viskosität kann die Länge des Austrittsbereichs so angepasst werden, dass die Geschwindigkeit des Fluids vor der Tröpfchenbildung homogenisiert wird. Die Praxis dieser Konstruktionsstrategie kann für Aluminium unpraktisch sein, ein interessantes Material in DOD-3D-Druckanwendungen. Wie zuvor erwähnt, kann die Austrittsöffnung der Düse ein stabiles Gleichgewicht des Meniskus bereitstellen, insbesondere wenn der Kontaktwinkel des Fluids in Kontakt mit der Düse benetzt wird. Wenn ferner die Fläche des Querschnitts des dissipativen Abschnitts kleiner als der der Austrittsöffnung ist, kann der Ausgang des dissipativen Abschnitts ein zweites stabiles Gleichgewicht mit kleinerer potentieller Energie bereitstellen. Daher kann die Länge des Formgebungsabschnitts eine potenzielle Energiebarriere bereitstellen, die verhindert, dass sich der Meniskus während der Ausstoßvorgänge von der Austrittsöffnung zum Ausgang des dissipativen Abschnitts bewegt. Dieses beschriebene Gleichgewicht zwischen der Konstruktion des Formgebungsabschnitts und der Konstruktion des dissipativen Abschnitts, um die Relaxationszeit, τ, der Düse zu minimieren, kann auch bei der Düsenkonstruktion verwendet und genutzt werden, um die Entstehung von Wirbeln und Rezirkulationsstellen innerhalb der Düse zu verhindern, wenn das Fluid viskos genug ist. Dies ist bei Aluminium oder Wasser nicht der Fall. Wasser- oder Legierungsmaterialien, die im Metalldruck verwendet werden, sind nicht sehr viskos und daher anfällig für komplexe Phänomene, die an der Schnittstelle der Dissipations- und Formgebungabschnitte auftreten, während Druckimpulse angelegt werden. Ein Phänomen sind sekundäre Vektorfelder oder Wirbel, die gewünschte vertikale Bewegung entwickeln und stören. Ein weiteres beobachtetes Phänomen ist, dass sich der Meniskus an einer Düsenfläche aufgrund der niedrigen Viskosität nach einem Ausstoß zurückziehen und an einer anderen Position als der Düsenspitze beruhigen kann, wie an einer Kreuzung zwischen dem dissipativen Abschnitt und dem Formgebungsabschnitt oder tief innerhalb der Düse.
Da die Relaxationszeit, τ, einer Düse mit den Abmessungen des dissipativen Abschnitts skaliert, führt ein kleinerer dissipativer Abschnitt zu einer schnelleren Relaxationszeit, was zu einer geringeren Störung am Meniskus während des Ausstoßens führt. Diese Einschränkung auf einen kleineren Durchmesser des dissipativen Abschnitts begrenzt jedoch auch das Volumen des Tröpfchens. Alternative Ausführungsformen von Drucksystemen, die Prinzipien der hierin beschriebenen Düsenkonstruktion verwenden, können Anordnungen mehrerer Düsen einschließen, die eine kleine Relaxationszeit aufweisen, die nahe genug zueinander platziert sind, sodass sich die erzeugten Tröpfchen während des Fallens vereinigen, und somit kann das Gesamtvolumen eines Tröpfchen, das ausgestoßen wurde, durch Kombinieren mehrerer Düsen erhöht werden, während eine kleine Relaxationszeit beibehalten wird. In bestimmten Ausführungsformen können Tröpfchen in ein einziges größeres Tröpfchen übergehen, wenn die Amplitude der Querschwingungen der Tröpfchenform während des Fallens größer ist als der Abstand zwischen den Düsen. Das Drucksignal für mehrere Düsen parallel kann von der einer einzelnen Düse mit geringen oder keinen Modifikationen angepasst werden. Diese beschriebene Ausführungsform entspricht dem Beispiel der Düse mit einem dissipativen Duschkopfkanal-Abschnitt, wie in 4B ohne den Formgebungsabschnitt veranschaulicht. Dies ist ein Beispiel für eine Verwendung mehrerer parallel ausstoßender Düsen, vorausgesetzt, die Kanäle sind nahe genug zueinander angeordnet.
Simulationsbeispiele
Die folgenden Beispiele werden vorgelegt, um verschiedene Gesichtspunkte der vorliegenden Offenbarung weiter zu definieren. Diese Beispiele sollen nur veranschaulichend sein und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken. Es werden mehrere Testfälle unter Verwendung von realitätsnahen Simulationen von mehrabschnittigen Düsenkonstruktionen durchgeführt und das resultierende Strahlverhalten der Düsen wird hinsichtlich einzelner und mehrerer Tröpfchenereignisse überwacht. Die beiden fokussierten Flächen sollen die Wirkung der Energiedissipation beim Druck-/Ausstoßdurchsatz markieren und die grundlegende parametrische Analyse bewerten, um die Empfindlichkeit von Durchsatzmetriken in Bezug auf grundlegende Düseneigenschaften zu untersuchen. Die Ausgaben von Interesse in Bezug auf diese Simulationen sind Tröpfcheneigenschaften von Interesse, d. h. Schnelligkeit des Tröpfchens, Volumen und Form sowie Energiedissipationsmetriken, d. h. Relaxationszeit der Meniskusverschiebung. Die in den Beispielstudien durchgeführten Untersuchungen wurden auf die verengte achsensymmetrische Kanaldüsenkonstruktion und die Duschkopfmehrkanaldüsenkonstruktionen beschränkt, wie in den 4A bzw. 4B veranschaulicht.
9 veranschaulicht eine grundlegende Abstraktion der Düse und des Substratteils einer Druckerausführungsform. Eine Düse 900 definiert einen Tank 902 und einen verengten achsensymmetrischen Abschnitt 906 und ist mit grundlegenden Abmessungen - einem Radius 910 des Tanks 902, einer Länge 912 der Düse 900, einer Länge 914 des verengten achsensymmetrischen Abschnitts 906 und einer Länge 916 einer Gasphasenatmosphäre 908 - die für die Simulationen als feststehend betrachtet werden, und zwei initialisierten Phasen dargestellt, einer Flüssigphase, die aus einem flüssigen Modelldruckmaterial 904 besteht, und der Gasphase 908. Die erste Phase ist flüssig mit Eigenschaften, die denen einer geschmolzenen Aluminiumlegierung bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzens als repräsentatives Druckmaterial ähneln. Die zweite Phase ist Gas mit Eigenschaften ähnlich einer Außenatmosphäre, beispielsweise Argonatmosphäre. Die Werte der vorstehend verwendeten Eigenschaften sind in Tabelle 1 dargestellt. Schließlich wird der Kontaktwinkel zwischen der Wand der Düse und der Flüssigkeits-/Gasgrenzfläche einheitlich angenommen und auf 60 Grad eingestellt. Tabelle 1: Phaseneigenschaften gasförmig/flüssig

Phase Gasförmig Flüssig

Viskosität (m²/s) 2,59 • 10^-5 4,16 • 10^-7

Dichte (kg/m³) 1,6228 2435,04

Oberflächenspannung (N/m) 0,585 0,585
10 veranschaulicht eine grafische Darstellung einer Wellenform, die für einen Druckimpuls repräsentativ ist, der an einer oberen Grenze einer Düse gemäß Ausführungsformen hierin angelegt wird. Dieses Eingangssignal ist ein an der oberen Grenze der Düse angelegter Druckimpuls, der bei 4,5 mm von einem Substrat eingestellt wird. Das Signal weist die in 10 dargestellte eingehende gepulste Wellenform auf. Sie besteht aus einer Überdruckkomponente (Schubkomponente) 1002 und einer Unterdruckkomponente (Saugkomponente) 1004. Die Überdruckkomponente der Wellenform kann als ein Erzeugungsereignis oder der positive Erzeugungsabschnitt der Wellenform bezeichnet werden und erzeugt das Tröpfchen, während die Unterdruckkomponente der Wellenform, die auch als Ausstoßereignis oder ein negativer Ausstoßabschnitt der Wellenform bezeichnet werden, die Ablösung des Tröpfchens von der Öffnung steuert. Um die Düse zu betreiben und Tröpfchen mit vorgeschriebener Form, Volumen und Schnelligkeit auszustoßen, ist ein geeigneter Druckimpuls/ein geeignetes Drucksignal im Zeitverlauf an einer Grenzfläche zwischen dem Tank und dem dissipativen Abschnitt erforderlich. Solche Signale können aus zwei klar identifizierbaren Zeitabschnitten bestehen, einem anfänglichen Schieben gefolgt von einem Zug, wie in 10 veranschaulicht. Der Schubabschnitt komprimiert das Fluid im Tank und schiebt es durch den dissipativen und formgebenden Abschnitt der Düse, wodurch der Meniskus an der Austrittsöffnung des Formgebungsabschnitts aufgebläht wird. Der Zugabschnitt saugt das Fluid innerhalb der Düse an und kann es verlangsamen, wodurch eine starke Variation der Geschwindigkeit des Fluids nahe der Austrittsöffnung erzeugt wird. Dementsprechend bewegt sich das Fluid im aufgeblähten Meniskus weiter von der Düse weg, aber das Fluid, das sich noch innerhalb der Düse befindet, wird durch die Zugkomponente der Wellenform verlangsamt. Dies erzeugt einen Aufbrechpunkt, von dem sich das Tröpfchen in der Nähe der Austrittsöffnung ablöst. Wenn die Schnelligkeit des Fluids innerhalb des Meniskus groß genug ist, kann ein Tröpfchen austreten, ohne dass ein Zugabschnitt erforderlich ist, und der Meniskus dehnt sich dann so weit aus, dass ein konkaver Bereich mit niedrigem Druck entsteht und das Tröpfchen von dort aus aufbricht. Der Zugabschnitt des Signals ermöglicht eine gewisse Kontrolle darüber, wann sich das Tröpfchen vom Fluid in der Düse löst. Die Schnelligkeit, das Volumen und die Anzahl der Tröpfchen pro Impuls innerhalb eines Bereichs können kalibriert werden, indem die Stärke und Dauer jedes Teils des Drucksignals angepasst werden.
Überwachte Größen in den Simulationsbeispielen schließen Beobachtungen in Bezug auf die Erzeugung einzelner Tröpfchen von Kandidatendüsenkonstruktionen gemäß Ausführungsformen hierin ein. Bei gegebener Düsengeometrie und gegebenem Eingangssignal wird nachgewiesen, dass: (a) ein einzelnes Tröpfchen erzeugt wird, wobei das Tröpfchen eine geeignete Form (nahe kugelförmig) aufweist, und (b) das Tröpfchen während seiner Bahn ein einzelnes Tröpfchen (d. h. ohne Aufspaltung in kleinere Tröpfchen) bleibt. Das Tröpfchenvolumen als Ersatz für die Tröpfchenmasse wird ebenfalls quantifiziert. Da die Modelldruckmaterialfluide für diese Anwendung inkompressibel sind, ist das Volumen eine konstante Größe. Die Tröpfchengeschwindigkeit wird als volumengemittelte Geschwindigkeit aufgezeichnet, die die Geschwindigkeit des Massenschwerpunkts des Tröpfchens ist. Es wird aufgrund der vernachlässigbaren Wirkung der Schwerkraft als konstant angesehen. Die Meniskusrelaxationszeit ist die charakteristische Zeit τ in der exponentiellen Anpassung C exp(-t/τ) der Hüllkurve der Zeitvariation der Meniskusverschiebung nach dem Auswerfen eines Tröpfchens, wie in 8 gezeigt. Die Relaxationszeit ist ein Maß dafür, wie schnell die überschüssige kinetische Energie des Fluids innerhalb der Düse dissipiert wird. Ein CFD-Löser (Computational Fluid Dynamics) kann verwendet werden, um eine Simulation in der OpenFOAM-Plattform durchzuführen, wobei die InterFoam-routine implementiert wird. Diese Routine ist ein Löser für zwei inkompressible, isotherme, nicht mischbare Fluide unter Verwendung einer numerischen Fluidvolumennäherung.
Für die verengte achsensymmetrische Düsenkonstruktionssimulation schließt ein einzelnes Tröpfchenereignis einen Druckimpuls ein, der an der Oberseite des oberen Tanks angelegt wird, wodurch ein Tröpfchen ausgeworfen wird. Die 6A und 6B zeigen Schnappschüsse von Standard- bzw. verengten Düsenkonstruktionen, die die achsensymmetrische Hypothese erfüllen. Die Systemantwort wird überwacht, indem die Trajektorie der Grenzfläche durch Auftragen der maximalen Verschiebung aufgezeichnet wird, wie in 7 in Abhängigkeit von der Zeit veranschaulicht, was Diagramme ähnlich dem in 8 veranschaulichten Diagramm ergibt. Die resultierenden Diagramme zeigen freie Meniskusschwingungen nach dem Tröpfchenausstoß, die sowohl für eine Standard- als auch für eine verengte Düsenkonstruktion aufgezeichnet wurden. In beiden Simulationen gibt eine anfängliche Spitze den Moment der Erzeugung und des Aufbrechens des Tröpfchens an, gefolgt von den gedämpften Schwingungen, wenn sich der Meniskus entspannt. Die Daten, die der nicht verengten Konstruktion zugeordnet sind, sind eine Realisierung eines frei schwingenden Meniskus nach einem einzigen Tröpfchenauswurf in einer Standarddüse (nicht verengt). In diesem speziellen Fall ist die Düsenkonstruktion ähnlich der in 5A dargestellten Düsenkonstruktion mit einem Durchmesser von 500 µm für eine Austrittsöffnung. Die Relaxationszeit ist nach oben durch 9,82 ms begrenzt. Bei den Daten für die verengte achsensymmetrische Konstruktion von 5B handelt es sich um einen identischen Simulationslauf für eine verengte Düse mit einem Verengungsradius von 170 µm und einer Verengungslänge von 400 µm. Die Länge des Formgebungsabschnitts beträgt 100 µm, der Radius der Austrittsöffnung ist gleich 250 µm. In diesem Fall tritt die Meniskusberuhigung mit τ ≤ 4,95 ms deutlich schneller auf. Das Verhältnis der Relaxationszeiten liegt sehr nahe am Verhältnis der Flächen, wie aus den zuvor beschriebenen Formeln zu erwarten war.
Verhalten der Düsen bei unterschiedlichen Pulsfrequenzen

Anschließend wurde das Verhalten der gleichen verengten und nicht verengten Düsen untersucht, wenn ein Druckimpuls periodisch zeitlich mit unterschiedlichen Frequenzen wiederholt wird, die denen ähneln, welche beim Drucken im stationären Betrieb verwendet werden. Es wurden Simulationen durchgeführt, bei denen 20 Tröpfchen mit Frequenzen von 200 Hz, 255 Hz und 300 Hz ausgeworfen werden. 11A bis 11F sind eine Reihe von grafischen Darstellungen, die mehrere Tröpfchensimulationen von verengten und nicht verengten Düsen für drei Ausstoßfrequenzen gemäß Ausführungsformen hierin veranschaulichen. Tröpfchenvolumen und volumengemittelte Geschwindigkeiten sind gegen Tröpfchenanzahl aufgetragen. In den 11A, 11C und 11E ist das Tropfenvolumen für 20 Tröpfchen jeweils für 200 Hz, 255 Hz und 300 Hz grafisch dargestellt. In den 11B, 11D und 11F ist die volumengemittelte Geschwindigkeit von 20 Tröpfchen für jeweils 200 Hz, 255 Hz und 300 Hz grafisch dargestellt. Die Standardabweichung des Volumens und der volumengemittelten Geschwindigkeiten über die 20 Tröpfchen, die in den 11A bis 11F grafisch dargestellt sind, werden in Tabelle 2 präsentiert. Es wurde auch bemerkt, dass für die nicht verengte Düsenkonstruktion 85 %, 45 % und 80 % der ausgeworfenen Tröpfchen vor Erreichen des Substrats bei Schussfrequenzen von jeweils 200 Hz, 255 Hz und 300 Hz zerbrechen. Die entsprechenden Raten in der verengten Düsenkonstruktion sind 0 %, 0 % und 10 % bei Schussfrequenzen jeweils von 200 Hz, 255 Hz und 300 Hz. Bei allen getesteten Ausstoßfrequenzen zeigen die Ergebnisse der verengten Düsen im Gegensatz zu den stärkeren Variationen der nicht verengten Düsenkonstruktion ein sehr regelmäßiges Verhalten von Tröpfchen zu Tröpfchen. Tabelle 2: Standardabweichung von Tröpfchenspezifikationen

	200 Hz	255 Hz	300 Hz
Verengt
Geschwindigkeit (m/s)	0,049	0,152	0,089
Volumen (10^-12m³)	0,704	1,58	1,65
Unverengt
Geschwindigkeit (m/s)	0,169	0,384	0,114
Volumen (10^-12m³)	8,82	10,8	6,48

12 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Düsenkonstruktion gemäß einer oder mehreren offenbarten Ausführungsformen, die geometrische Überlegungen im Zusammenhang mit der verengten achsensymmetrischen Düsenkonstruktion veranschaulicht. Eine in nachfolgenden Simulationen verwendete Düsenkonstruktion 1200 hat einstellbare Konstruktionsparameter, die Abmessungen sowohl eines dissipativen Abschnitts 1202 als auch eines Formgebungsabschnitts 1204 darstellen, die ein Durchmesser der Verengung d_c 1206 des dissipativen Abschnitts 1202 und ein Durchmesser einer Austrittsöffnung d_e 1220 des Formgebungsabschnitts 1204 sind. Feste Parameter für die in 12 veranschaulichte Düsensimulationskonstruktion schließen eine Länge l_D 1208 des dissipativen Abschnitts 1202, eine Übergangslänge l_m 1210 zwischen dem dissipativen Abschnitt 1202 und dem Formgebungsabschnitt 1204, eine Länge ls 1212 des Formgebungsabschnitts 1204 ein. Weitere feste Abmessungen schließen eine Austrittsöffnungslänge k₀ 1214, einen oberen k_l 1216 und einen unteren k_l 1218 ein, die die Übergangslängen der ineinander übergehenden Teile oder Übergangszonen darstellen, die die verschiedenen Abschnitte einer Düse verbinden.
Parametrische Studie 1: Verengungsdurchmesser
Wie bereits erwähnt, steuert die Düsengeometrie in bestimmten Ausführungsformen hauptsächlich die Form des Tröpfchens, die Tröpfchenbahn nach dem Aufbrechen, ihr Volumen und die Schnelligkeit. Außerdem kann die Geometrie modifiziert werden, um die Energiedissipation zu steuern. Ergebnisse aus den Studien, wie sie in Bezug auf 12 gezeigt und beschrieben sind, sind in den 13A und 13B dargestellt. 13A und 13B sind grafische Darstellungen der volumengemittelten Geschwindigkeit des ausgestoßenen Tröpfchens in Abhängigkeit vom Verengungsdurchmesser bzw. des Volumens des ausgestoßenen Tröpfchens in Abhängigkeit vom Verengungsdurchmesser. Wenn sich der Verengungsdurchmesser verringert, verringert sich anfänglich auch die Geschwindigkeit und das Volumen der ausgeworfenen Masse. Offensichtlich behindern schmalere Trennwände den Flüssigkeitsfluss. Da der Druckimpuls keine zusätzliche Energie kompensiert, besteht das Ergebnis darin, dass weniger Material ausgeworfen wird und bei langsamer Schnelligkeit. Für die Verengungsdurchmesser d_C = 0,4, 0,3, 0,2 mm wurden die Relaxationszeiten durch 0,0083 s, 0,0049 s bzw. 0,0039 s begrenzt. Dies entspricht der erwarteten Beziehung τ ∝ d2 c. Eine signifikante Änderung der Monotonie in der volumengemittelten Geschwindigkeit wird in 13B bei rund de!de ≈ 78 % beobachtet. Die volumengemittelte Geschwindigkeit nimmt bis dann stetig mit dc ab, und plötzlich beginnt sie zu steigen, wenn dc weiter verringert wird. Bei dem gleichem Wert von x wird ein Sprung des Werts des ausgeworfenen Volumens beobachtet. Dieses Verhalten kann darauf zurückzuführen sein, dass, da die Schnelligkeit des Fluids im Inneren der Verengung zunimmt, je kleiner ihr Durchmesser wird. Wenn das sich schnell bewegende Fluid in den Formgebungsabschnitt eintritt, reichen die Viskosität des Fluids und der dadurch erzeugte Druckanstieg nicht aus, um das Fluid in den äußeren Bereichen des Formgebungsabschnitts zu beschleunigen. Dadurch verliert das aus dem dissipativen Abschnitt kommende Fluid weniger Schwung an das umgebende Fluid, sodass es die Düse mit einer höheren Schnelligkeit verlässt. Die ausgestoßene Masse beinhaltet häufig Fluid mit deutlich unterschiedlichen Schnelligkeiten, was zum Aufbrechen des Tröpfchens und manchmal zum Ausstoßen von Satelliten führen kann.
Parametrische Studie II: Eingangssignal
Das Eingangssignal und die entsprechende Wellenform stellen die Energie bereit, die in das Düsen-/Flüssigkeitssystem eintritt. Es steuert in erster Linie die Tröpfchengeschwindigkeit und das -volumen und beeinflusst somit die Spezifikationen des Aufbrechens in Bezug auf Zeit und Ort. Zweitens beeinflusst das Eingangssignal die Tröpfchenform und die Dissipation von Energie in einer Düsenkonstruktionssimulation. In Druckvorrichtungen werden Wellenformen wie die in 10 veranschaulichte von Hardwareschaltungen ausgegeben, die die Stärke und die Dauer des positiven und negativen Teile des Signals steuern. Mit einer festen Düsengeometrie kann die Form des Drucksignals definiert und eingestellt werden, um Tröpfchen mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Ein Verfahren zur Untersuchung der Empfindlichkeit der Tröpfcheneigenschaften gegenüber dem Drucksignal besteht darin, eine realisierte Wellenform als Referenz festzulegen und Vergrößerungsparameter als Ersatz für hardwarebasierte Steuerungen einzuführen, die die Stärke und Dauer des Signals beeinflussen. 14 ist eine räumlich/zeitlich skalierte grafische Darstellung einer charakteristischen Wellenform, die ihre positiven und negativen Komponenten gemäß einer Ausführungsform zeigt. Eine systematische Modifikation eines Referenzimpulses 1402 wird für mehrere Parameter der in 14 dargestellten Wellenlänge simuliert, indem die Parametern Mp (Magnitude des positiven Erzeugungsabschnitts der Wellenform) 1404, tp (Dauer des positiven Erzeugungsabschnitts der Wellenform) 1406, die den positiven Teil des Impulses skalieren, und analoge Parameter Mn (Höhe des negativen Ausstoßabschnitts der Wellenform) 1408, tn (Dauer des negativen Ausstoßabschnitts der Wellenform) 1410 für den negativen Teil des Impulses variiert werden. Diese Änderung wird durch eine Wellenlänge 1412 dargestellt. Für die Düsengeometriekonstruktion, die durch dc = 0,35 mm, de = 0,4 mm und l_D = 0,05 definiert ist, sind die berechneten Ergebnisse für die Tröpfcheneigenschaften mit variierenden Mp und tp in den 15A bis 15D dargestellt. 15A bis 15D sind eine Reihe von vier grafischen Darstellungen, die Ergebnisse der parametrischen Simulation eines positiven Teils der Wellenform von 14 und die Auswirkung der Wellenform auf die Tröpfchengeschwindigkeit und das Tröpfchenvolumen gemäß einer Ausführungsform veranschaulichen. Die 15A und 15B sind grafische Darstellungen der Geschwindigkeit im Vergleich zu tp bzw. des Volumens im Vergleich zu tp. Die 15C und 15D sind jeweils grafische Darstellungen der Geschwindigkeit im Vergleich zu x und dem Volumen im Vergleich zu x. Die Wirkung des schiebenden Teils des Druckimpulses ist veranschaulicht, während der Zug-/Saugteil der Wellenform konstant und gleich dem Referenzsignal gehalten wird. In Bezug auf die schiebenden Parameter kann ein starkes lineares Verhalten von Tröpfcheneigenschaften beobachtet werden. Die glatte Variation beider Größen veranschaulicht die Möglichkeit der Anpassung des Signals, um das Volumen und die Schnelligkeit des Tröpfchens innerhalb eines bestimmten Bereichs einzustellen. Diese glatte Variation des Volumens und der Schnelligkeit mit Impulsparametern spiegelt jedoch nicht die Auswirkungen auf die Tröpfchenform wider, die erheblich verändert werden kann. Druckimpulse mit ausreichend großem x, und sicher innerhalb des Bereichs von den 15A und 15B, beschleunigen das Fluid ausreichend, um Tröpfchen zu erzeugen, die zu lang sind und/oder nach dem Auswerfen aufbrechen. Daher ist es unwahrscheinlich, dass ein einzelnes Tröpfchen mit akzeptabler Form in einem solchen Bereich ausgebildet wird. Im Gegensatz zum Modifizieren der x- und x-Werte, beeinflussen die Werte x und x die Tröpfcheneigenschaften in komplexer Weise. Ergebnisse anderer parametrischer Studien außerhalb des Umfangs dieser Studien legen nahe, dass große Werte von x, negative Auswirkungen auf die Dynamik haben. Diese negativen Auswirkungen reichen von einer Verlangsamung der Strömung in der Düse und im ausgestoßenen Tröpfchen bis hin zur Induzierung einer großen kinetischen Energiebelastung, die teilweise auf ein stärkeres Ansaugen zurückzuführen ist und unerwünscht lange braucht, um abgebaut zu werden.
Weitere Experimente wurden unter Verwendung der Duschkopfmehrkanaldüsenkonstruktion von 4B durchgeführt, wobei der Dissipationsabschnitt aus mindestens zwei schmalen Kanälen besteht. Wie zuvor in Bezug auf 4B erörtert, hängt die Relaxationszeit dieses Kanals von der Summe der Flächen der Querschnitte der einzelnen schmalen Kanäle ab. Ein weiterer Vorteil dieser Mehrkanaldüsenkonstruktion besteht darin, dass sie den Meniskus gleichmäßiger über die Austrittsöffnung schiebt und damit den Bereich der Schnelligkeiten vergrößert, mit denen das Fluid gepulst oder durch den dissipativen Abschnitt gestrahlt werden kann, ohne dass beim Ausstoßen mehrere Tröpfchen entstehen. 16A und 16B veranschaulichen Draufsichten eines dissipativen Abschnitts in einer Mehrkanaldüse mit vier Kanälen bzw. fünf Kanälen. Zusätzliche Studien des Tröpfchenauswurfs wurden unter Verwendung der in den 16A und 16B veranschaulichten Konstruktionen untersucht. Die Mehrkanaldüsenkonstruktion 1602 von 16A enthält vier symmetrisch platzierte Kanäle 1602A, 1602B, 1602C, 1602D mit jeweils 160 x Durchmesser und die Mehrkanaldüsenkonstruktion 1604 von 16B enthält fünf symmetrisch platzierte Kanäle 1604A, 1604B, 1604C, 1604D, 1604E mit jeweils 120 x Durchmesser. 17 ist eine grafische Darstellung, die eine simulierte Meniskusverschiebung in Abhängigkeit von der Zeit für den Ausstoß eines Tröpfchens aus den Mehrkanaldüsen-Ausführungsformen von 16A und 16B im Vergleich zu einer standardmäßigen, nicht verengten Düsenkonstruktion-Ausführungsform veranschaulicht. 17 veranschaulicht die Meniskusbewegung bei einem einzelnen Tröpfchenereignis für die vierkanalige Mehrkanaldüsenkonstruktion von 16A und die fünfkanalige Mehrkanaldüsenkonstruktion von 16B im Vergleich zu einer Standarddüsenkonstruktion. Die Ergebnisse der Meniskusbewegung im Zeitverlauf deuten daraufhin, dass sowohl die Vierkanal- als auch die Fünfkanaldüsenkonstruktion mit dissipativen Mehrkanalabschnitten die Energie erheblich schneller dissipieren als die Standardkonstruktion, wobei die oberen Schätzwerte 0,0098 s für die Standardkonstruktion, 0,005 s für die 4-Kanal-Düse und 0,003 s für die 5-Kanal-Düse betragen.
Die vorliegende Offenbarung wurde unter Bezugnahme auf beispielhafte Implementierungen beschrieben. Obwohl eine begrenzte Anzahl von Implementierungen gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich für den Fachmann, dass Änderungen an diesen Implementierungen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Geist der vorstehenden detaillierten Beschreibung abzuweichen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung so auszulegen ist, dass sie alle derartigen Modifikationen und Änderungen einschließt, sofern sie in den Schutzumfang der beiliegende Ansprüche oder deren Äquivalente fallen.

Claims

Düse für ein Drucksystem, umfassend: einen Tank in Verbindung mit einer Druckmaterialquelle; einen verengten dissipativen Abschnitt in Verbindung mit dem Tank, der einen länglichen internen Kanal umfasst; und eine Formgebungsspitze in Verbindung mit dem verengten dissipativen Abschnitt, die eine Austrittsöffnung umfasst.
Düse nach Anspruch 1, wobei der verengte dissipative Abschnitt konfiguriert ist, um den Fluidstrom zu behindern.
Düse nach Anspruch 1, wobei der längliche interne Kanal zylindrisch ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei der verengte dissipative Abschnitt achsensymmetrisch ist und einen Durchmesser aufweist, der kleiner als ein Durchmesser des Tanks ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei der verengte dissipative Abschnitt achsensymmetrisch ist und einen Durchmesser aufweist, der kleiner als ein Durchmesser der Formgebungsspitze ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei der verengte dissipative Abschnitt mindestens drei interne Kanäle umfasst, die nicht miteinander in Verbindung stehen.
Düse nach Anspruch 6, wobei die mindestens drei internen Kanäle im Wesentlichen denselben Durchmesser aufweisen.
Düse nach Anspruch 1, wobei der verengte dissipative Abschnitt mindestens zwei sich kreuzende Kanäle umfasst, die im Wesentlichen senkrecht zueinander sind.
Düse nach Anspruch 8, wobei die mindestens zwei sich kreuzenden Kanäle aus mindestens zwei Wänden bestehen, die parallel zueinander sind.
Düse nach Anspruch 1, wobei der verengte dissipative Abschnitt drei sich kreuzende Kanäle umfasst, die in im Wesentlichen 45-Grad-Winkeln um eine Achse des verengten dissipativen Abschnitts angeordnet sind.
Düse nach Anspruch 1, wobei der verengte dissipative Abschnitt ferner ein poröses Medium umfasst.
Düse nach Anspruch 1, ferner umfassend einen konischen Übergang zwischen dem verengten dissipativen Abschnitt und der Formgebungsspitze.
Düse nach Anspruch 1, wobei die Austrittsöffnung der Formgebungsspitze zylindrisch ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei die Austrittsöffnung der Formgebungsspitze ein schmaler Schlitz ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei ein Krümmungsradius der Austrittsöffnung weniger als 10 Prozent eines Durchmessers der Austrittsöffnung beträgt.
Düse nach Anspruch 1, wobei die Düse konfiguriert ist, um ein Tröpfchen durch Betreiben eines Erzeugungsereignisses, gefolgt von einem Ausstoßereignis, auszustoßen.
Düse für ein Drucksystem, umfassend: einen Tank in Verbindung mit einer Druckmaterialquelle; einen verengten dissipativen Abschnitt in Verbindung mit dem Tank und konfiguriert, um den Fluidstrom zu behindern, umfassend einen länglichen internen Kanal; und eine Formgebungsspitze in Verbindung mit dem verengten dissipativen Abschnitt, die eine Austrittsöffnung umfasst; und wobei die Düse konfiguriert ist, um ein Tröpfchen durch Betreiben eines Erzeugungsereignisses, gefolgt von einem Ausstoßereignis, auszustoßen.
Düse nach Anspruch 17, wobei der längliche interne Kanal zylindrisch ist.
Düse nach Anspruch 17, wobei der verengte dissipative Abschnitt umfasst: einen achsensymmetrischen Abschnitt; einen Durchmesser kleiner als ein Durchmesser des Tanks; und einen Durchmesser kleiner als ein Durchmesser der Formgebungsspitze.
Düse nach Anspruch 17, wobei der verengte dissipative Abschnitt mindestens drei interne Kanäle umfasst, die nicht miteinander in Verbindung stehen und im Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweisen.
Düse nach Anspruch 17, wobei ein Krümmungsradius der Austrittsöffnung weniger als 10 Prozent eines Durchmessers der Austrittsöffnung beträgt.
Düse für ein Drucksystem, umfassend: einen Tank in Verbindung mit einer Druckmaterialquelle; einen verengten dissipativen Abschnitt in Verbindung mit dem Tank, der konfiguriert ist, um den Fluidstrom zu behindern, umfassend einen länglichen internen Kanal mit mindestens zwei sich kreuzenden Kanälen, die im Wesentlichen senkrecht zueinander sind; und eine Formgebungsspitze in Verbindung mit dem verengten dissipativen Abschnitt, die eine Austrittsöffnung umfasst; und wobei die Düse konfiguriert ist, um ein Tröpfchen durch Betrieb unter Verwendung eines Erzeugungsereignis, gefolgt von einem Ausstoßereignis, auszustoßen.
Düse nach Anspruch 22, wobei der verengte dissipative Abschnitt ferner drei sich kreuzende Kanäle umfasst, die in im Wesentlichen 45-Grad-Winkeln um eine Achse des verengten dissipativen Abschnitts angeordnet sind.
Düse nach Anspruch 22, wobei ein Krümmungsradius der Austrittsöffnung weniger als 10 Prozent eines Durchmessers der Austrittsöffnung beträgt.
Anordnung von Düsen für ein Drucksystem, umfassend: eine Vielzahl von Düsen, wobei jede Düse umfasst: einen Tank in Verbindung mit einer Druckmaterialquelle; einen verengten dissipativen Abschnitt in Verbindung mit dem Tank und konfiguriert, um den Fluidstrom zu behindern, umfassend einen länglichen internen Kanal; und eine Formgebungsspitze in Verbindung mit dem verengten dissipativen Abschnitt, die eine Austrittsöffnung umfasst.
Anordnung von Düsen für ein Drucksystem, umfassend: eine Vielzahl von Düsen, wobei jede Düse umfasst: einen Tank in Verbindung mit einer Druckmaterialquelle; einen verengten dissipativen Abschnitt in Verbindung mit dem Tank, der konfiguriert ist, um den Fluidstrom zu behindern, umfassend einen länglichen internen Kanal mit mindestens zwei sich kreuzenden Kanälen, die im Wesentlichen senkrecht zueinander sind; und eine Formgebungsspitze in Verbindung mit dem verengten dissipativen Abschnitt, die eine Austrittsöffnung umfasst.