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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft dreidimensionale (3D) Objektdrucker, welche geschmolzene Metalltropfen ausstoßen, um Objekte zu bilden, und insbesondere die Messung der Menge an geschmolzenem Metall, das in solchen Druckern zum Ausstoßen verfügbar ist.
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HINTERGRUND
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Dreidimensionales Drucken, auch bekannt als additive Fertigung, ist ein Prozess zum Herstellen eines dreidimensionalen festen Objekts von einem digitalen Modell von nahezu beliebiger Form. Viele dreidimensionalen Drucktechnologien verwenden einen additiven Prozess, in dem eine additive Fertigungsvorrichtung aufeinander folgende Schichten des Teils auf zuvor aufgebrachten Schichten bildet. Bei einigen dieser Technologien werden Ausstoßeinheiten verwendet, welche UV-härtbare Materialien ausstoßen, wie Photopolymere oder Elastomere. Der Drucker betreibt üblicherweise einen oder mehrere Extruder, um aufeinanderfolgende Schichten des Kunststoffmaterials zu bilden, um ein dreidimensionales gedrucktes Objekt mit einer Vielfalt von Formen und Strukturen zu konstruieren. Nachdem eine jeweilige Schicht des dreidimensionalen gedruckten Objekts gebildet ist, wird das Kunststoffmaterial UV-gehärtet und erstarrt, um die Schicht an eine darunter liegende Schicht des dreidimensionalen gedruckten Objekts zu binden. Dieses additive Fertigungsverfahren ist von herkömmlichen Objektbildungstechniken zu unterscheiden, die meist auf dem Entfernen von Material von einem Werkstück durch einen subtraktiven Prozess beruhen, wie beispielsweise Schneiden oder Bohren.
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In jüngster Zeit wurden einige 3D-Objektdrucker entwickelt, welche Tropfen geschmolzenen Metalls aus einer oder mehreren Ausstoßeinheiten ausstoßen, um 3D-Objekte zu bilden. Diese Drucker weisen eine feste Metallquelle auf, wie eine Drahtrolle oder Pellets, die einer geheizten Aufnahme eines Behälters in dem Drucker zugeführt wird, wo das feste Metall geschmolzen wird und das geschmolzene Metall die Aufnahme füllt. Die Aufnahme ist aus nicht-leitendem Material hergestellt, um welches ein elektrischer Draht gewickelt ist, um eine Spule zu bilden. Durch die Spule wird ein elektrischer Strom geleitet, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, welches bewirkt, dass sich der Meniskus des geschmolzenen Metalls an einer Düse der Aufnahme von dem geschmolzenen Metall innerhalb der Aufnahme trennt und von der Düse weggetrieben wird. Eine der Düse der Ausstoßeinheit gegenüberliegende Plattform wird durch eine Steuerung, die Stellelemente betreibt, in einer X-Y-Ebene parallel zur Ebene der Plattform derart bewegt, dass die ausgestoßenen Metalltropfen Metallschichten eines Objekts auf der Plattform bilden, und ein anderes Stellelement wird von der Steuerung derart betrieben, dass die Position der Ausstoßeinheit oder der Plattform in der vertikalen oder Z-Richtung geändert wird, um einen konstanten Abstand zwischen der Ausstoßeinheit und einer obersten Schicht des gebildeten Metallobjekts zu bewahren. Diese Art von Metalltropfen ausstoßendem Drucker ist auch als magnetohydrodynamischer Drucker (MHD-Drucker) bekannt.
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Das geschmolzene Metall in der Aufnahme des Behälters in dem Drucker muss auf einem Füllstand gehalten werden, der ausreicht, um Metalltropfen-Ausstoßoperationen zu unterstützen, ohne die Zufuhr von geschmolzenem Metall in den Drucker zu verringern. In einem Metalltropfen ausstoßenden Drucker wird ein blauer Laser auf den Oberflächenspiegel des geschmolzenen Metalls in der Aufnahme gerichtet und ein reflektierender Sensor überwacht die Reflexion des Lasers durch den Oberflächenspiegel, um die aktuelle Höhe des geschmolzenen Metalls in der Aufnahme zu bestimmen. Wenn die Sensorausgabe anzeigt, dass der Oberflächenspiegel auf eine Schwellenwertposition innerhalb der Aufnahme gefallen ist, wird das Drahtzuführ-Stellelement betätigt, um mehr festes Metall in die Aufnahme zuzuführen.
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Der Laser und die reflektierende Sensoranordnung für die Messung des Vorrats an geschmolzenem Metall führt zu einigen Problemen für die Bestimmung der genauen Position des Oberflächenspiegels in der Aufnahme. Zum einen ist die optische Ausrichtung des Laserstrahls und des Sensors ziemlich empfindlich für Störungen, welche die Fähigkeit des Sensors beeinflussen können, das reflektierte Lichtsignal zu empfangen und einen robusten Kontakt damit zu bewahren. Diese Ausrichtung ist schwierig herzustellen, wenn die Befestigungsklammer für den Sensor wieder installiert wird, nachdem sie zum Bedienen des oberen Blocks des Druckers entfernt wurde. Die Linse des Lasers kann auch mit kondensierten Materialien verunreinigt werden, welche die Strahlstärke abschwächen können. Darüber hinaus kann sich trotz einer Inertgasumgebung, wie Argon, innerhalb des Druckers eine Aluminiumoxidschicht oben auf dem geschmolzenen Metall bilden und zu fehlerhaften Sensorablesungen führen. Diese Aluminiumoxidschicht kann auch organische Verunreinigungen enthalten, die auf der Oberfläche des festen Metalls getragen werden. Diese Schicht kann selbsttragend werden und verhindern, dass der Laserstrahl die wahre Oberfläche des geschmolzenen Metalls erreicht, sodass die Sensorausgabe fehlerhaft wird. Schließlich ist der reflektierende Sensor teuer. Ein weniger teures, robusteres Erfassungssystem für die Oberfläche von geschmolzenem Metall wäre vorteilhaft.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein neues Verfahren zum Bestimmen der Position des Oberflächenspiegels des geschmolzenen Metalls in der Aufnahme eines 3D-Metallobjektdruckers ist robuster und wirtschaftlicher. Das Verfahren schließt das Erzeugen eines ersten Signalwerts, der anzeigt, dass ein fester Metalldraht am Drahtdetektor vorhanden ist, mit einem Drahtdetektor, der zwischen einem zweiten Ende einer Drahtführung und einer Aufnahme in einem Behälter positioniert ist, der dafür konfiguriert ist, festen Draht zu schmelzen, der von der Drahtführung empfangen wird, Erzeugen eines zweiten Signalwerts mit dem Drahtdetektor, der das Fehlen des festen Metalldrahts an dem Drahtdetektor anzeigt, und Bestimmen einer Position eines oberen Oberflächenspiegels des geschmolzenen Metalls in der Aufnahme ein.
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Ein neuer 3D-Metallobjektdrucker bestimmt die Position des Oberflächenspiegels des geschmolzenen Metalls in der Aufnahme eines 3D-Metallobjektdruckers auf eine robustere und wirtschaftlichere Weise. Der neue 3D-Metallobjektdrucker schließt einen Ausstoßkopf mit einem Behälter mit einer Aufnahme innerhalb des Behälters, eine Drahtführung, die dafür konfiguriert ist, festen Metalldraht an einem ersten Ende aufzunehmen und den festen Metalldraht durch die Drahtführung zu einem zweiten Ende zu führen, durch welches der feste Metalldraht austritt und sich in Richtung der Aufnahme in dem Behälter bewegt, eine Heizung, die dafür konfiguriert ist, den Behälter, während sich der Behälter in dem Ausstoßkopf befindet, auf eine Temperatur zu erwärmen, die ausreicht, um den festen Metalldraht innerhalb der Aufnahme des Behälters zu schmelzen, mindestens ein Stellelement, welches operativ mit dem festen Metalldraht verbunden ist, wobei das mindestens eine Stellelement dafür konfiguriert ist, den festen Metalldraht bidirektional durch die Drahtführung zu bewegen, und einen Drahtdetektor ein, der zwischen dem zweiten Ende der Drahtführung und der Aufnahme in dem Behälter positioniert ist, wobei der Drahtdetektor dafür konfiguriert ist, ein erstes Signal zu erzeugen, welches das Vorhandensein des festen Metalldrahts an dem Drahtdetektor anzeigt, und ein zweites Signal zu erzeugen, welches das Fehlen des festen Metalldrahts an dem Drahtdetektor anzeigt.
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Figurenliste
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Die vorstehenden Gesichtspunkte und andere Merkmale eines Verfahrens zum Bestimmen der Position des Oberflächenspiegels des geschmolzenen Metalls in der Aufnahme eines 3D-Metallobjektdruckers, welches robuster und wirtschaftlicher ist als die zuvor bekannten, und eines 3D-Metallobjektdruckers, der das Verfahren realisiert, werden in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert.
- 1 stellt einen neuen 3D-Metallobjektdrucker dar, der die Position des Oberflächenspiegels des geschmolzenen Metalls in der Aufnahme eines 3D-Metallobjektdruckers robuster und wirtschaftlicher als das Lasermessverfahren bestimmt.
- 2 ist ein schematisches Diagramm eines Drahtzufuhrmechanismus, der verwendet wird, um der Drahtführung 124 in 1 Draht bereitzustellen, und der einen Draht misst, der aus der Aufnahme des Behälters des Druckers in 1 zurückgezogen wird.
- 3 ist ein Ablaufplan für einen Prozess, mit welchem die Position des Oberflächenspiegels des geschmolzenen Metalls in der Aufnahme eines 3D-Metallobjektdruckers unter Verwendung eines Drahtdetektors und Metalltropfen-Zählverfahrens bestimmt wird.
- 4 ist ein Ablaufplan eines Prozesses, mit welchem eine Proportionalitätskonstante K eingestellt wird, die verwendet wird, um die Anzahl der ausgestoßenen Metalltropfen zu bestimmen, die zwischen Oberflächenspiegelmessungen des geschmolzenen Metalls innerhalb der Aufnahme des Behälters des Druckers in 1 gezählt werden.
- 5 ist ein Blockdiagramm eines 3D-Metalldruckers, bei welchem ein Lasersystem zum Bestimmen der Position des Oberflächenspiegels des geschmolzenen Metalls in der Aufnahme des Druckers verwendet wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Für ein allgemeines Verständnis der Umgebung für den 3D-Metallobjektdrucker und dessen Betrieb, wie hierin offenbart, sowie der Details für den Drucker und dessen Betrieb wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
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5 veranschaulicht eine Ausführungsform eines zuvor bekannten 3D-Metallobjektdruckers 100, bei welchem ein Laserstrahl und ein reflektierender Sensor verwendet wird, um den Oberflächenspiegel des geschmolzenen Metalls innerhalb einer Aufnahme des Druckers zu bestimmen. In dem Drucker der 5 werden Tropfen geschmolzenen Vollmetalls aus einer Aufnahme eines entfernbaren Behälters 104, der eine einzelne Düse 108 aufweist, ausgestoßen und Tropfen aus der Düse bilden Streifen für Schichten eines Objekts auf einer Plattform 112. Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet der Begriff „entfernbarer Behälter“ einen hohlen Behälter mit einer Aufnahme, die dafür konfiguriert ist, eine flüssige oder feste Substanz zu halten, und der Behälter ist als Ganzes für eine Installation und Entfernung in einem 3D-Metallobjektdrucker konfiguriert. Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet der Begriff „Vollmetall“ leitfähiges Metall, das in aggregierter Form verfügbar ist, wie Draht einer gewöhnlich verfügbaren Größe oder Pellets in Makrogrößen. Eine Quelle von Vollmetall 116, wie Metalldraht 120, wird in eine Drahtführung 124 eingeführt, welche sich durch das obere Gehäuse 122 in dem Ausstoßkopf 140 erstreckt und in der Aufnahme des entfernbaren Behälters 104 geschmolzen wird, um geschmolzenes Metall zum Ausstoßen aus der Düse 108 durch eine Öffnung 110 in einer Grundplatte 114 des Ausstoßkopfs 140 bereitzustellen. Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet der Begriff „Düse“ eine Öffnung in einem entfernbaren Behälter, die zum Austreiben geschmolzener Metalltropfen aus der Aufnahme innerhalb des entfernbaren Behälters konfiguriert ist. Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet der Begriff „Ausstoßkopf“ das Gehäuse und die Komponenten eines 3D-Metallobjektdruckers, welche geschmolzene Metalltropfen zur Herstellung von Metallobjekten schmelzen, ausstoßen und deren Ausstoß regeln. Ein Sensor für den Spiegel geschmolzenem Metalls 184 schließt einen Laser und einen reflektierenden Sensor ein. Die Reflexion des Lasers von dem Spiegel des geschmolzenen Metalls wird durch den reflektierenden Sensor erfasst, welcher ein Signal erzeugt, das den Abstand zu dem Spiegel des geschmolzenen Metalls anzeigt. Die Steuerung empfängt dieses Signal und bestimmt den Füllstand des geschmolzenen Metalls in dem entfernbaren Behälter 104, sodass es in der Aufnahme des entfernbaren Behälters auf dem oberen Spiegel 118 gehalten werden kann. Der entfernbare Behälter 104 gleitet in die Heizung 160, sodass der Innendurchmesser der Heizung mit dem entfernbaren Behälter in Kontakt kommt und festes Metall innerhalb der Aufnahme des entfernbaren Behälters auf eine Temperatur erwärmt werden kann, die ausreicht, um das feste Metall zu schmelzen. Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet der Begriff „festes Metall“ ein Metall, wie es durch das Periodensystem der Elemente oder Legierungen definiert ist, die mit diesen Metallen in fester statt in flüssiger oder gasförmiger Form gebildet werden. Die Heizung ist vom entfernbaren Behälter getrennt, um ein Volumen zwischen der Heizung und dem entfernbaren Behälter 104 zu bilden. Eine Inertgaszuführung 128 stellt dem Ausstoßkopf durch ein Gaszuführungsrohr 132 eine druckgeregelte Quelle eines Inertgases wie Argon bereit. Das Gas strömt durch das Volumen zwischen der Heizung und dem entfernbaren Behälter und tritt um die Düse 108 und die Öffnung 110 in der Grundplatte 114 herum aus dem Ausstoßkopf aus. Dieser Inertgasstrom in der Nähe der Düse isoliert die ausgestoßenen Tropfen geschmolzenen Metalls von der Umgebungsluft an der Grundplatte 114, um während des Flugs der ausgestoßenen Tropfen die Bildung von Metalloxid zu verhindern.
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Der Ausstoßkopf 140 ist für eine vertikale Bewegung des Ausstoßkopfs in Bezug auf die Plattform 112 innerhalb Bahnen der Z-Achse bewegbar gelagert. Ein oder mehrere Stellelemente 144 sind operativ mit dem Ausstoßkopf 140 verbunden, um den Ausstoßkopf entlang einer Z-Achse zu bewegen, und sind operativ mit der Plattform 112 verbunden, um die Plattform in einer X-Y-Ebene unterhalb des Ausstoßkopfs 140 zu bewegen. Die Stellelemente 144 werden von einer Steuerung 148 betätigt, um zwischen der Öffnung 110 in der Grundplatte 114 des Ausstoßkopfs 140 und einer obersten Oberfläche eines Objekts auf der Plattform 112 einen geeigneten Abstand zu bewahren.
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Durch das Bewegen der Plattform 112 in der X-Y-Ebene, wenn Tropfen geschmolzenen Metalls in Richtung der Plattform 112 ausgestoßen werden, wird um ein Streifen geschmolzener Metalltropfen auf dem zu bildenden Objekt gebildet. Die Steuerung 148 betätigt auch Stellelemente 144, um den vertikalen Abstand zwischen dem Ausstoßkopf 140 und der zuletzt gebildeten Schicht auf dem Substrat einzustellen, um die Bildung anderer Strukturen auf dem Objekt zu ermöglichen. Obwohl der geschmolzene 3D-Objektdrucker 100 in 3 als in vertikaler Ausrichtung betrieben dargestellt ist, können andere alternative Ausrichtungen verwendet werden. Außerdem sind, obwohl die in 3 dargestellte Ausführungsform eine Plattform aufweist, die sich in einer X-Y-Ebene bewegt, und sich der Ausstoßkopf entlang der Z-Achse bewegt, andere Anordnungen möglich. Zum Beispiel können die Stellelemente 144 so konfiguriert sein, dass sie den Ausstoßkopf 140 in der X-Y-Ebene und entlang der Z-Achse bewegen, oder sie können so konfiguriert sein, dass sie die Plattform 112 sowohl in der X-Y-Ebene als auch in der Z-Achse bewegen.
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Eine Steuerung 148 betätigt die Schalter 152. Ein Schalter 152 kann selektiv von der Steuerung so betätigt werden, dass der Heizung 160 elektrischer Strom von der Quelle 156 bereitgestellt wird, während ein anderer Schalter 152 von der Steuerung selektiv so betätigt werden kann, dass der Spule 164 elektrischer Strom von einer anderen elektrischen Quelle 156 bereitgestellt wird, um das elektrische Feld zu erzeugen, durch welches ein Tropfen aus der Düse 108 ausgestoßen wird. Da die Heizung 160 viel Wärme bei hohen Temperaturen erzeugt, ist die Spule 164 innerhalb einer Kammer 168 positioniert, die durch eine (kreisförmige) oder mehrere Wände (geradlinige Formen) des Ausstoßkopfs 140 gebildet wird. Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet der Begriff „Kammer“ ein Volumen, welches in einer oder mehreren Wänden enthalten ist, in denen sich eine Heizung, eine Spule und ein entfernbarer Behälter eines 3D-Metallobjektdruckers befinden. Der entfernbare Behälter 104 und die Heizung 160 befinden sich innerhalb dieser Kammer. Die Kammer steht durch eine Pumpe 176 mit einer Fluidquelle 172 in Fluidverbindung und außerdem mit einem Wärmetauscher 180 in Fluidverbindung. Wie in diesem Dokument verwendet, bezieht sich der Begriff „Fluidquelle“ auf einen Behälter einer Flüssigkeit mit Eigenschaften, die zum Absorbieren von Wärme nützlich sind. Der Wärmetauscher 180 ist durch eine Rückführung mit der Fluidquelle 172 verbunden. Fluid aus der Quelle 172 strömt durch die Kammer, um Wärme von der Spule 164 zu absorbieren, und das Fluid trägt die absorbierte Wärme durch den Tauscher 180, wo die Wärme durch bekannte Verfahren entzogen wird. Das gekühlte Fluid wird zur weiteren Verwendung beim Halten der Temperatur der Spule in einem geeigneten Betriebsbereich zu der Fluidquelle 172 zurückgeführt.
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Die Steuerung 148 des 3D-Metallobjektdruckers 100 benötigt Daten aus externen Quellen, um den Drucker für die Herstellung von Metallobjekten zu steuern. Im Allgemeinen wird ein dreidimensionales Modell oder ein anderes digitales Datenmodell des zu bildenden Objekts in einem Speicher gespeichert, der operativ mit der Steuerung 148 verbunden ist, wobei die Steuerung über einen Server oder Ähnliches auf eine entfernte Datenbank zugreifen kann, in der das digitale Datenmodell gespeichert ist, oder ein computerlesbares Medium, in welchem das digitale Datenmodell gespeichert ist, kann für den Zugriff selektiv mit der Steuerung 148 verknüpft werden. Dieses dreidimensionale Modell oder ein anderes digitales Datenmodell wird von einem Slicer verarbeitet, der mit der Steuerung realisiert wird, um maschinenfertige Anweisungen zur Ausführung durch die Steuerung 148 in bekannter Weise zu erzeugen, um die Komponenten des Druckers 100 zu betreiben und das dem Modell entsprechende Metallobjekt zu bilden. Die Erzeugung der maschinenfertigen Anweisungen kann die Produktion von Zwischenmodellen einschließen, wie wenn ein CAD-Modell der Vorrichtung in ein STL-Datenmodell oder ein anderes polygonales Netz oder eine andere Zwischendarstellung umgewandelt wird, die wiederum verarbeitet werden kann, um Maschinenanweisungen, wie g-Code, zur Herstellung der Vorrichtung durch den Drucker zu erzeugen. Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet der Begriff „maschinenfertige Anweisungen“ Computersprachbefehle, die von einem Computer, einem Mikroprozessor oder einer Steuerung ausgeführt werden, um Komponenten eines additiven 3D-Metallobjekt-Fertigungssystems zu betreiben, um Metallobjekte auf der Plattform 112 zu bilden. Die Steuerung 148 führt die maschinenfertigen Anweisungen zum Steuern des Ausstoßes der geschmolzenen Metalltropfen aus der Düse 108, der Positionierung der Plattform 112 sowie des Bewahrens des Abstands zwischen der Öffnung 110 und der obersten Schicht des Objekts auf der Plattform 112 aus.
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Unter Verwendung gleicher Bezugszahlen für gleiche Komponenten und Entfernen einiger der Komponenten, die nicht verwendet werden, um den Oberflächenspiegel des geschmolzenen Metalls in der Aufnahme zu bestimmen, ist in 1 ein neuer 3D-Metallobjektdrucker 100' dargestellt. Der Laser 184 und der reflektierende Sensor 188 wurden durch einen Drahtdetektor 190 ersetzt. Der Drahtdetektor 190 befindet sich am Ausgang der Drahtführung 124. Der Drahtdetektor kann ein optischer oder induktiver Sensor sein. Ein optischer Sensor weist eine Lichtquelle, wie eine LED, auf einer Seite des Drahtwegs von dem Ausgang der Drahtführung 124 zu der Aufnahme im Behälter 104 auf. Auf der anderen Seite dieses Drahtwegs befindet sich ein Lichtsensor. Der Lichtsensor erzeugt einen Signalwert einer digitalen Eins oder einer digitalen Null, wenn der Draht die Übertragung von Licht von der Lichtquelle zu dem Lichtsensor blockiert, und er erzeugt einen entgegengesetzten Signalwert, wenn der Draht zwischen der Lichtquelle und dem Lichtsensor nicht vorhanden ist. Das heißt, der Sensor erzeugt ein binäres Signal mit zwei digitalen Signalwerten, um anzuzeigen, ob der Draht dem Sensor gegenüberliegt oder nicht. In einer Ausführungsform des Druckers 100' kann für die empirisch bestimmte Umgebung ein optischer durchlässiger Sensor mit einer 125 °C-Einstufung verwendet werden, wie die Vishay-TCPT-Sensoren, erhältlich von Vishay Intertechnology in Malvern, Pennsylvania. Ein induktiver Sensor erzeugt ein induktives Feld, und wenn der Metalldraht in dem Feld vorhanden ist, erzeugt der Sensor einen digitalen Wert, und wenn sich der Metalldraht nicht in dem Feld befindet, erzeugt der Sensor den anderen digitalen Wert. Der Drahtdetektor 190 ist mit einer Wärmesenke an dem oberen Gehäuse 122 montiert, um Wärme von dem Sensor zu entziehen und die Sensortemperatur innerhalb seines Betriebsbereichs zu halten.
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Die Bestimmung des Oberflächenspiegels des geschmolzenen Metalls basiert auf der empirischen Beobachtung, dass der Draht in einem kurzen und wiederholbaren Abstand schmilzt, nachdem er in das geschmolzene Metall in der Aufnahme eintritt. Folglich ist die Länge des Drahts vom Drahtdetektor bis zur Spitze des in das geschmolzene Metall eintretenden Drahts ein indirekter Indikator für die Oberfläche des geschmolzenen Metalls in der Aufnahme. Um die Position der Oberfläche des geschmolzenen Metalls zu bestimmen, betätigt die Steuerung 148' eines der Stellelemente 144, um die Richtung der Drahtzuführung umzukehren und das Ende des Drahtes aus dem geschmolzenen Metall in der Aufnahme zurückzuziehen. Diese Umkehraktion wird gestoppt, sobald der Drahtdetektor 190 ein Signal erzeugt, dass kein Draht mehr vom Sensor erfasst wird. Die zeitliche Dauer vom Beginn der Drahtumkehr bis zur Erfassung, dass kein Draht vorhanden ist, wird zusammen mit der Geschwindigkeit der Drahtumkehr von der Steuerung 148' verwendet, um den aktuellen Füllstand des geschmolzenen Metalls in der Aufnahme zu bestimmen. Der Draht wird dann in der Zuführrichtung für eine gleiche Zeit mit der gleichen Geschwindigkeit vorgeschoben, um das Ende des Drahts wieder in dem geschmolzenen Metall anzuordnen, und der normale Betrieb des Druckers wird wieder aufgenommen.
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Ein Mechanismus 200 zum Zuführen von Draht aus der Drahtzuführung 116 durch die Drahtführung 124 zum Behälter 104 ist in 2 dargestellt. Der Mechanismus 200 ist eine Ausführungsform zum Abgeben von Draht, die geeignet ist, um die Länge des aus dem Behälter entnommenen Drahts zu bestimmen, wenn die Position des Spiegels des geschmolzenen Metalls identifiziert wird. Die Steuerung 148' ist operativ mit einem Stellelement, wie dem Schrittmotor 240, verbunden, um die Geschwindigkeit zu steuern, mit welcher der Draht von der Zuführung 116 zu dem Behälter 104 geliefert wird. Ein Stellelement 240 treibt die Rolle 224 an und ist operativ mit der Steuerung 148' verbunden, sodass die Steuerung die Geschwindigkeit regulieren kann, mit welcher das Stellelement die Rolle 224 antreibt. Eine andere Rolle, die der Rolle 224 gegenüberliegt, ist frei laufend, sodass sie der Drehrate folgt, bei der die Rolle 224 angetrieben wird.
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Eine Rutschkupplung 244 ist operativ mit der Antriebswelle des Stellelements 240 verbunden, die dem Behälter Draht zuführt. Wie in diesem Dokument verwendet, bezieht sich der Begriff „Rutschkupplung“ auf eine Vorrichtung, die eine Reibungskraft auf ein Objekt aufbringt, um das Objekt bis zu einem vorbestimmten Sollwert zu bewegen. Wenn der Bereich um den vorbestimmten Sollwert für die Reibungskraft überschritten wird, rutscht die Vorrichtung, sodass sie die Reibungskraft nicht mehr auf das Objekt aufbringt. Die Rutschkupplung ermöglicht es, dass die auf den Draht 120 durch die Rolle 224 ausgeübte Kraft innerhalb der Grenzen der Festigkeit des Drahts bleibt, ganz gleich wie oft, wie schnell oder wie lang das Stellelement 240 angetrieben wird. Diese konstante Kraft kann gehalten werden, indem entweder das Stellelement 240 mit einer Geschwindigkeit angetrieben wird, die höher ist als die schnellste erwartete Drehgeschwindigkeit der Antriebsrolle 224, oder indem ein Geberrad 248 auf die Rolle 224 gesetzt wird und die Drehrate mit einem Sensor 252 erfasst wird. Das vom Sensor 252 erzeugte Signal zeigt die Winkeldrehung der Rolle 224 an und die Steuerung 148' verwendet dieses Signal und den Radius der Rolle 224, um die Länge des Drahts zu identifizieren, der aus dem Behälter 104 im Zeitraum vom Beginn der Umkehr bis zum Erzeugen eines Signals durch den Drahtdetektor 190, dass der Draht nicht mehr am Detektor vorhanden ist, entnommen wird. Das heißt, der Mechanismus 200 arbeitet als eine Art Drahtauslenkungssensor. Alternativ kann die Freilaufrolle, die der angetriebenen Rolle 224 gegenüberliegt, einen daran montierten Geber 248 aufweisen, um ein Signal zu erzeugen, das ihre Winkelposition anzeigt, sodass die Länge des durch den Mechanismus zugeführten Metalldrahts bestimmt werden kann. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung wird die Rutschkupplung 244 weggelassen und die Anzahl der Schritte in jeder Bewegungsrichtung, die der Motor 240 durchführt, kann aufgezeichnet und zur Bestimmung der Länge des linearen Drahtwegs verwendet werden.
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Um die Störungen des Betriebszustands des Druckers, die durch die Umkehrung der Drahtzufuhr verursacht werden, zu minimieren, ist die Steuerung 148' ferner mit programmierten Anweisungen konfiguriert, um einen Vorwärtsalgorithmus zu realisieren, der basierend auf der Anzahl der geschmolzenen Metalltropfen, die von dem Drucker ausgestoßen werden, gegenüber der Länge des in den Drucker geführten Drahts kontinuierlich den Oberflächenspiegel des geschmolzenen Metalls schätzt. Bei dieser Schätzung treten unbekannte Toleranzen auf, aber dieses Schätzverfahren bietet eine einfache Möglichkeit, eine geeignete Zeit für eine Bestimmung des Oberflächenspiegels des geschmolzenen Metalls in der Aufnahme unter Verwendung des Drahtumkehrverfahrens zu identifizieren. Die Frequenz der Messung kann gemäß der gewünschten Genauigkeit der Steuerung des Spiegels des geschmolzenen Metalls eingestellt werden.
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Die Steuerung 148' kann mit einem oder mehreren allgemeinen oder spezialisierten programmierbaren Prozessoren realisiert werden, welche programmierte Befehle ausführen. Die Befehle und Daten, die zur Durchführung der programmierten Funktionen erforderlich sind, können in einem Speicher, der mit den Prozessoren oder Steuerungen verbunden ist, gespeichert sein. Die Prozessoren, ihre Speicher und Schnittstellenschaltung konfigurieren die Steuerungen zur Durchführung der vorhergehenden und unten beschriebenen Vorgänge. Diese Komponenten können auf einer gedruckten Leiterplatte bereitgestellt werden oder als eine Schaltung in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) bereitgestellt werden. Jede der Schaltungen kann mit einem separaten Prozessor implementiert sein, oder mehrere Schaltungen können auf demselben Prozessor implementiert sein. Alternativ dazu können die Schaltungen mit diskreten Komponenten oder Schaltungen implementiert sein, die in Schaltungen mit sehr großem Integrationsgrad (VLSI-Schaltungen) bereitgestellt werden. Außerdem können die hierin beschriebenen Schaltungen mit einer Kombination von Prozessoren, ASIC, diskreten Komponenten oder VLSI-Schaltungen implementiert sein. Während der Bildung von Metallobjekten werden Bilddaten für eine herzustellende Struktur an den Prozessor oder die Prozessoren für die Steuerung 148' von entweder einem Abtastsystem oder einer Online- oder Arbeitsplatzrechner-Verbindung zur Verarbeitung und Erzeugung der Signale gesendet, welche die Komponenten des Druckers 100' betreiben, um ein Objekt auf der Plattform 112 zu bilden.
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Ein Prozess zum Betreiben des 3D-Metallobjektdruckers 100' zum Bestimmen des Oberflächenspiegels des geschmolzenen Metalls in der Aufnahme des Druckers ist in 3 dargestellt. In der Beschreibung des Prozesses beziehen sich Aussagen, dass der Prozess eine Aufgabe oder Funktion ausführt, auf eine Steuerung oder einen Universalprozessor, der programmierte Anweisungen ausführt, die auf nicht-flüchtigen, computerlesbaren Speichermedien gespeichert sind, die betriebsfähig mit der Steuerung oder dem Prozessor verbunden sind, um Daten zu manipulieren oder eine oder mehrere Komponenten im Drucker zu betreiben, um die Aufgabe oder Funktion auszuführen. Die oben erwähnte Steuerung 148' kann eine solche Steuerung oder ein solcher Prozessor sein. Alternativ kann die Steuerung mit mehr als einem Prozessor und den zugehörigen Schaltungen und Komponenten implementiert werden, von denen jede konfiguriert ist, um eine oder mehrere der hierin beschriebenen Aufgaben oder Funktionen zu bilden. Zusätzlich können die Schritte des Verfahrens in einer beliebigen möglichen chronologischen Reihenfolge durchgeführt werden, unabhängig von der Reihenfolge, die in den Figuren gezeigt ist, oder der Reihenfolge, in der das Verarbeiten beschrieben ist.
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3 ist ein Ablaufplan für einen Prozess 300, bei welchem der Drahtdetektor 190 und die Steuerung 148 verwendet werden, die dafür konfiguriert ist, programmierte Anweisungen auszuführen, die in einem nicht-transitorischen Speicher gespeichert sind, der operativ mit der Steuerung verbunden ist, um während Objektbildungsoperationen den Oberflächenspiegel des geschmolzenen Metalls in der Aufnahme des entfernbaren Gefäßes zu bestimmen. Der Prozess beginnt mit einer Bestimmung, dass der Oberflächenspiegel des geschmolzenen Metalls geprüft werden muss (Block 304). Wenn keine Messung erforderlich ist, dann werden die Metallausstoßoperationen fortgesetzt (Block 308). Ein Weg, um zu bestimmen, dass der Oberflächenspiegel zu überprüfen ist, ist das Verfahren, bei welchem die Zählung ausgestoßener Tropfen und die in den Drucker geführte Drahtmenge verwendet werden, um die Bestimmung vorzunehmen.
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Insbesondere verwendet die Steuerung die Länge des Drahtes, der seit der letzten Spiegelprüfung in den Drucker geführt worden ist, weniger der Drahtlänge innerhalb der Drahtführung, um eine Metallmenge zu identifizieren, die geschmolzen worden ist (Block 312). In dem Prozess wird auch eine Zählung der Anzahl der geschmolzenen Metalltropfen unterhalten, die seit der jüngsten Spiegelprüfung ausgestoßen worden sind, und es wird das Volumen des geschmolzenen Metalls, das ausgestoßen worden ist, mit der Menge an Metall verglichen, das geschmolzen worden ist, um zu bestimmen, ob es wahrscheinlich ist, dass der Oberflächenspiegel unter eine vorher festgelegte Position in der Aufnahme gefallen ist (Block 304). Wenn der Vergleich anzeigt, dass die Menge an geschmolzenem Metall, die seit der letzten Spiegelprüfung ausgestoßen worden ist, mehr als 10 % der Menge an festem Metall beträgt, die seit der letzten Spiegelprüfung geschmolzen wurde, dann muss die Position der Oberfläche des geschmolzenen Metalls genauer gemessen werden. Das Ausstoßen von Metalltropfen wird angehalten (Block 316) und das Stellelement, das den Draht in die Aufnahme führt, wird umgekehrt (Block 320), bis der Drahtdetektor 190 ein Signal erzeugt, das anzeigt, dass an der Sensorposition kein Draht mehr vorhanden ist (Block 324). Die Umkehrbewegung wird angehalten (Block 328) und, wie bereits angemerkt, werden in dem Prozess die Zeit zum Zurückziehen des Drahts zu dem Drahtdetektor und die Geschwindigkeit der Rückzugbewegung verwendet, um die Länge des aus dem Behälter entfernten Drahts zu bestimmen (Block 332). Wenn diese Länge größer als ein Abstand ist, bei dem der Oberflächenspiegel wäre, wenn das Volumen des geschmolzenen Metalls weniger als 90 % des Behältervolumens beträgt, dann wird in dem Prozess das Stellelement betätigt, um eine Drahtlänge in den Behälter zu bewegen, die ausreicht, um, wenn sie geschmolzen ist, den Oberflächenspiegel des geschmolzenen Metalls auf eine Position zu heben, in der ungefähr 95 % des Behältervolumens mit geschmolzenem Metall gefüllt ist (Block 336). Sobald dieses Nachfüllen erreicht ist oder der Oberflächenspiegel des geschmolzenen Metalls nicht anzeigt, dass die Aufnahme in dem Behälter weniger als 90 % voll ist, werden die Metalltropfen-Ausstoßoperationen zum Bilden des Metallobjekts wiederaufgenommen (Block 308), bis die nächste Spiegelprüfung stattfinden muss.
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Ein Ablaufplan für einen alternativen Prozess 400 zum Durchführen der Messungen des Schmelzenspiegels während der Objektbildung ist in 4 dargestellt. In diesem Prozess wird eine Anzahl an ausgestoßenen geschmolzenen Metalltropfen N gezählt, welche einem vorher festgelegten Vielfachen des Volumens des Behälters entspricht, wie dem Zehnfachen. Diese Anzahl an Tropfen N wird durch Schmelzen einer Drahtlänge F gebildet. Aufgrund von Toleranzen in den Abmessungen des Drahts und Volumina der Tropfen kann keine genaue Länge F definiert werden, die immer N Tropfen bildet. Daher bezieht sich N über eine Proportionalitätskonstante K auf F. Ein Anfangswert von K wird analytisch unter Verwendung des nominellen Durchmessers des festen Metalldrahts und der nominellen Tropfenmasse bestimmt. Unter Verwendung der Formel N = F x K kann die anfängliche Länge des Drahts F identifiziert werden, welche die vorher festgelegte Anzahl an Volumina des Behälters bildet. In dem Prozess der 4 wird die Konstante K bei jeder Messung des Spiegels des geschmolzenen Metalls unter Verwendung der Differenz zwischen der erwarteten Spiegelposition und der gemessenen Spiegelposition eingestellt. Insbesondere wenn der gemessene Spiegel niedriger als der erwartete Spiegel ist, dann ist dem Behälter nicht genügend Draht zugeführt worden, sodass die Konstante K um einen vorher festgelegten Betrag erhöht wird, der proportional zu der Differenz zwischen dem erwarteten Spiegel und dem tatsächlichen Spiegel ist. Wenn der gemessene Spiegel höher als erwartet ist, dann ist dem Behälter zu viel Draht zugeführt worden, sodass die Konstante K um einen zu der Differenz proportionalen Betrag verringert wird.
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Detaillierter beginnt der Prozess 400 mit dem Füllen des Behälters mit geschmolzenem Metall und einer Messung des vollständigen Spiegels an geschmolzenem Metall durch Herausziehen des Drahts aus dem Behälter und Messen der Drahtlänge zwischen dem Drahtdetektor und der Oberfläche des geschmolzenen Metalls unter Anwendung eines der oben angegebenen Verfahren (Block 404). Die Anzahl der ausgestoßenen Metalltropfen wird gezählt, bis die Zählung gleich N ist (Block 408). Der Spiegel des geschmolzenen Metalls in dem Behälter wird erneut unter Anwendung eines der zuvor beschriebenen Verfahren gemessen (Block 412). Der aktuelle gemessene Spiegel wird mit dem vorherigen Metallspiegel verglichen (Block 416). Wenn der aktuelle Spiegel niedriger als der vorherige Spiegel ist, wird K erhöht (Block 420). Wenn der aktuelle Spiegel höher als der vorherige Spiegel ist, wird K verringert (Block 424). Wenn die Änderungsgeschwindigkeit von K abnimmt (Block 428), dann wird N erhöht, da K auf einen optimalen Wert konvergiert (Block 432). Andernfalls wird der Prozess mit dem aktuellen Wert von N fortgesetzt. Der Wert von N wird nur erhöht, wenn die Änderung von K zeigt, dass der Wert der Konstante auf einen schmalen Bereich konvergiert. Durch Erhöhen von N werden die Intervalle zwischen Metallspiegelmessungen erhöht und die Stillstandszeit für die Spiegelmessungen wird verringert, während die Produktivität erhöht wird.
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Es versteht sich, dass Varianten des oben Offenbarten und andere Merkmale und Funktionen oder Alternativen davon nach Wunsch zu vielen anderen unterschiedlichen Systemen, Anwendungen oder Verfahren kombiniert werden können. Verschiedene derzeit unvorhergesehene und unerwartete Alternativen, Modifikationen, Variationen und Verbesserungen können nachträglich von Fachleuten vorgenommen werden, die auch durch die folgenden Ansprüche eingeschlossen sein sollen.
