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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung ist auf dreidimensionale (3D-) Objektdrucker gerichtet, die geschmolzene Metalltropfen ausstoßen, um Objekte zu bilden, und genauer auf die Bildung einer Basisschicht eines Metallobjekts auf einer Aufbauplattform in solchen Druckern.
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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 nach einem digitalen Modell von nahezu beliebiger Form. Viele dreidimensionale Drucktechnologien verwenden einen additiven Prozess, in dem eine Vorrichtung für additive Fertigung aufeinander folgende Schichten des Teils auf zuvor aufgebrachten Schichten bildet. Manche dieser Technologien verwenden Ausstoßvorrichtungen, die UV-härtbare Materialien ausstoßen, wie Photopolymere oder Elastomere, während andere Technologien ein Elastomer schmelzen und das thermoplastische Material in Objektschichten extrudieren. Der Drucker betreibt üblicherweise eine oder mehrere Ausstoßvorrichtungen oder Extruder, um aufeinander folgende Schichten von Kunststoff- oder thermoplastischem Material 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 worden 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 Schneiden oder Bohren.
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In jüngster Zeit wurden einige 3D-Objektdrucker entwickelt, welche Tropfen geschmolzenen Metalls aus einer oder mehreren Ausstoßvorrichtungen ausstoßen, um 3D-Objekte zu bilden. Diese Drucker weisen eine Quelle von festen Material auf, wie eine Drahtrolle oder Pellets, die festes Metall in eine geheizte Aufnahme eines Behälters in dem Drucker speist, 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 Aufbauplattform ist so positioniert, dass sie die ausgestoßenen Tropfen geschmolzenen Metalls von der Düse der Ausstoßvorrichtung aufnimmt, und diese Plattform wird von einer Steuerung, die Stellelemente betreibt, in einer X-Y-Ebene parallel zu der Ebene der Plattform bewegt. Diese ausgestoßenen Metalltropfen bilden Metallschichten eines Objekts auf der Plattform und ein anderes Stellelement wird von der Steuerung betätigt, um den Abstand zwischen der Ausstoßvorrichtung und der Plattform zu ändern, um einen geeigneten Abstand zwischen der Ausstoßvorrichtung und der zuletzt gedruckten Schicht des gebildeten Metallobjekts aufrechtzuerhalten. Diese Art von Metalltropfen ausstoßendem Drucker ist auch als magnetohydrodynamischer Drucker (MHD-Drucker) bekannt.
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Während des Druckprozesses, der mit einem MHD-Drucker durchgeführt wird, muss die erste Schicht des Objekts fest an der Oberfläche der Aufbauplattform haften. Ohne diese Haftung bleibt die Basis des Objekts nicht stabil, da die Größe des Objekts zunimmt. Die hohe Temperatur der Oberfläche der Aufbauplattform kann bewirken, dass die Oberfläche der Aufbauplattform sehr hoch oxidiert wird. Diese Oxidationsschicht kann die Haftung der Objektbasisschicht an der Aufbauplattform stören, und das Objekt kann sich während des Druckens vorzeitig von der Aufbauplattformoberfläche lösen. Zusätzlich kann die Oxidationsschicht bewirken, dass die Basisschicht des Objekts nicht gleichmäßig geformt wird, so dass die Basisschicht eine Porosität aufweist, die höher ist als die für ein stabiles Objektschichtdrucken erforderliche.
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Die Oxidation der Aufbauplattformoberfläche ist jedoch nicht das einzige Problem, das eine geeignete Haftung des Objekts an der Aufbauplattform beeinträchtigt. Eine relativ saubere Aufbauplattformoberfläche kann dazu führen, dass sich die Basisschicht des Objekts zu gut mit der Aufbauplattformoberfläche verbindet. Während die Fertigung des Objekts gut voranschreitet, da die Basis des Objekts sehr stabil ist, kann das Entfernen des Objekts am Ende des Prozesses sehr schwierig sein. In manchen Fällen ist die Anbringung des Objekts an der Aufbauplattform so fest, dass das Entfernen des Objekts eine Beschädigung des Objekts, der Aufbauplattform oder beider verursacht. In der Lage zu sein, die Basisschicht an der Aufbauplattform ausreichend anzuhaften, um diese Schicht gleichmäßig und mit der geeigneten Porosität zu bilden, ohne das Objekt so fest an der Aufbauplattform anzubringen, dass sein Entfernen zu einer Beschädigung des Objekts, der Plattform oder beides führt, wäre vorteilhaft.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein neues Verfahren zum Betreiben eines 3D-Metallobjektdruckers haftet die Basisschicht eines Metallobjekts ausreichend an die Aufbauplattform an, um diese Schicht gleichmäßig und mit der geeigneten Porosität zu bilden, ohne das Objekt so fest an der Aufbauplattform anzubringen, dass sein Entfernen zu einer Beschädigung des Objekts, der Plattform oder beider führt. Das Verfahren schließt das Betreiben eines Applikators zum Aufbringen von Silikat auf ein ebenes Element und das Betreiben eines Ausstoßvorrichtungskopfs zum Ausstoßen von Tropfen geschmolzenen Metalls auf das ebene Element ein, nachdem das flüssige Silikat auf das ebene Element aufgebracht wurde.
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Ein neuer 3D-Metallobjektdrucker haftet die Basisschicht eines Metallobjekts ausreichend an die Aufbauplattform an, um diese Schicht gleichmäßig und mit der geeigneten Porosität zu bilden, ohne das Objekt so fest an der Aufbauplattform anzubringen, dass sein Entfernen zu einer Beschädigung des Objekts, der Plattform oder beider führt. Der neue 3D-Metallobjektdrucker schließt einen Ausstoßvorrichtungskopf, der einen Behälter mit einer in dem Behälter befindlichen Aufnahme aufweist, die konfiguriert ist, um geschmolzenes Metall zu halten, ein ebenes Element und einen Applikator ein, der konfiguriert ist, um zur Aufnahme der von dem Ausstoßvorrichtungskopf ausgestoßenen Tropfen geschmolzenen Metalls ein Silikatmaterial auf dem ebenen Element aufzubringen.
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Figurenliste
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Die vorstehenden Gesichtspunkte und andere Merkmale eines Verfahrens zum Betreiben eines 3D-Metallobjektdruckers, der die Basisschicht eines Metallobjekts ausreichend an der Aufbauplattform anhaftet, um diese Schicht gleichmäßig und mit der geeigneten Porosität zu bilden, ohne das Objekt so fest an der Aufbauplattform anzubringen, dass sein Entfernen zu einer Beschädigung des Objekts, der Plattform oder beider führt, und ein 3D-Metallobjektdrucker, der das Verfahren implementiert, werden in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen erläutert.
- 1 stellt einen neuen 3D-Metallobjektdrucker dar, der die Basisschicht eines Metallobjekts an einer Metallfolienschicht auf einer Aufbauplattform anhaftet, um die Basisschicht gleichmäßig und mit der geeigneten Porosität zu bilden, ohne das Objekt so fest an der Aufbauplattform anzubringen, dass sein Entfernen zu einer Beschädigung des Objekts, der Plattform oder beider führt.
- 2 ist ein schematisches Diagramm eines Prozesses, der eine ausreichende Haftung des Aufbaumaterials an der Aufbauplattform für eine zuverlässige Grundlage zum Aufbau des Teils bereitstellt, ohne das Objekt so fest an der Aufbauplattform anzubringen, dass sein Entfernen zu einer Beschädigung des Objekts, der Plattform oder beider führt.
- 3 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Betreiben des Systems von 1, das eine ausreichende Haftung des Aufbaumaterials an der Aufbauplattform für eine zuverlässige Grundlage zum Aufbau des Teils bereitstellt, ohne das Objekt so fest an der Aufbauplattform anzubringen, dass sein Entfernen zu einer Beschädigung des Objekts, der Plattform oder beider führt.
- 4 ist ein schematisches Diagramm eines 3D-Metalldruckers nach dem Stand der Technik, der keinen Applikator zum Aufbringen einer Silikatschicht auf die Oberfläche einer Aufbauplattform, bevor die Basisschicht eines Metallobjekts auf der Aufbauplattform gebildet wird, einschließt.
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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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4 veranschaulicht eine Ausführungsform eines bisher bekannten Druckers für 3D-Metallobjekte 100, der Tropfen eines geschmolzenen Metalls ausstößt, um ein Metallobjekt direkt auf einer Aufbauplattform zu bilden. In dem Drucker der 4 werden Tropfen geschmolzenen Vollmetalls aus einer Aufnahme eines entfernbaren Behälters 104, der eine einzelne Düse 108 aufweist, ausgestoßen, und Tropfen aus der Düse bilden eine Basisschicht eines Objekts mit Streifen, die direkt auf eine Aufbauplattform 112 aufgebracht werden. Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet der Begriff „entfembarer 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 „Behälter“ einen hohlen Behälter mit einer Aufnahme, die konfiguriert ist, um eine flüssige oder feste Substanz zu fassen, der für eine Installation und Entfernung von einem Drucker für 3D-Metallobjekte konfiguriert sein kann. Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet der Begriff „Vollmetall“ leitfähiges Metall, das in aggregierter Form verfügbar ist, wie Draht einer gewöhnlich verfügbaren Größe, Pellets in Makrogrößen und Metallpulver.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 4 wird eine Quelle von Vollmetall 116, wie Metalldraht 120, in eine Drahtführung 124, die sich durch das obere Gehäuse 122 in dem Ausstoßvorrichtungskopf 140 erstreckt, zugeführt und in der Aufnahme des entfernbaren Behälters 104 geschmolzen, um geschmolzenes Metall zum Ausstoßen aus der Düse 108 durch eine Öffnung 110 in einer Grundplatte 114 des Ausstoßvorrichtungskopfs 140 bereitzustellen. Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet der Begriff „Düse“ eine Öffnung, die mit einem Volumen innerhalb einer Aufnahme eines Behälters, der geschmolzenes Metall enthält, das zum Ausstoßen von Tropfen geschmolzenen Metalls aus der Aufnahme innerhalb des Behälters konfiguriert ist, fluidisch verbunden ist. Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet der Begriff „Ausstoßvorrichtungskopf“ das Gehäuse und die Komponenten eines 3D-Metallobjektdruckers, welche Tropfen geschmolzenen Metalls zur Herstellung von Metallobjekten schmelzen, ausstoßen und deren Ausstoß regeln. Ein Sensor für den Pegel geschmolzenen Metalls 184 schließt einen Laser und einen Reflexionssensor ein. Die Reflexion des Lasers von dem Pegel des geschmolzenen Metalls wird durch den Reflexionssensor erfasst, welcher ein Signal erzeugt, das den Abstand zu dem Pegel des geschmolzenen Metalls anzeigt. Die Steuerung empfängt dieses Signal und bestimmt den Füllstand des geschmolzenen Metalls in dem entfernbaren Behälter 104, so dass es in der Aufnahme des entfernbaren Behälters auf dem geeigneten Pegel 118 gehalten werden kann. Der entfernbare Behälter 104 gleitet in die Heizung 160, so dass 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 von dem entfernbaren Behälter getrennt, um ein Volumen zwischen der Heizung und dem entfernbaren Behälter 104 zu bilden. Eine Inertgaszuführung 128 stellt dem Ausstoßvorrichtungskopf 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 Ausstoßvorrichtungskopf 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. Ein Spalt zwischen der Düse und der Oberfläche, auf der ein ausgestoßener Metalltropfen landet, wird absichtlich klein genug gehalten, um zu verhindern, dass das um die Düse austretende Inertgas dissipiert, bevor der Tropfen innerhalb dieses Inertgasstroms landet.
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Der Ausstoßvorrichtungskopf 140 ist für eine Bewegung des Ausstoßvorrichtungskopfs in Bezug auf die Plattform 112 innerhalb Bahnen der Z-Achse bewegbar montiert. Ein oder mehrere Stellelemente 144 sind mit dem Ausstoßvorrichtungskopf 140 wirkverbunden, um den Ausstoßvorrichtungskopf entlang einer Z-Achse zu bewegen, und sind mit der Plattform 112 wirkverbunden, um die Plattform in einer X-Y-Ebene unterhalb des Ausstoßvorrichtungskopfs 140 zu bewegen. Die Stellelemente 144 werden von einer Steuerung 148 betätigt, um zwischen der Öffnung 110 in der Grundplatte 114 des Ausstoßvorrichtungskopfs 140 und einer Oberfläche eines Objekts auf der Plattform 112 einen geeigneten Abstand aufrechtzuerhalten. Die Aufbauplattform in einigen Versionen des Systems 100 besteht im Wesentlichen aus oxidiertem Stahl, während in anderen der oxidierte Stahl eine obere Oberflächenbeschichtung aus Wolfram oder Nickel aufweist. Es ist nicht sehr wahrscheinlich, dass die oxidierte Stahlversion der Plattform sich zu stark an die Basisschicht des geschmolzenen Aluminiums bindet, da sie noch nicht durch geschmolzenes Aluminium benetzt ist. Während diese Plattform für die Entfernung des Objekts nach der Herstellung von Vorteil ist, ist sie möglicherweise nicht ausreichend stark genug, um die Bildung des Objekts während des gesamten Prozesses zu unterstützen. Um dieses Problem anzugehen, fügen andere Versionen der Plattform Wolfram- oder Nickeloberflächen zu der Plattform hinzu, um das Benetzen der Aufbauoberfläche mit dem geschmolzenen Aluminium zu verbessern. Diese Versionen der Plattform können jedoch zu fest an der Basisschicht des Metallobjekts anhaften und führen zu Metall-Metall-Verschweißungen, die Schäden an dem Objekt, der Oberfläche der Aufbauplattform oder beiden verursachen, wenn das Objekt entfernt wird.
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Durch Bewegen der Plattform 112 in der X-Y-Ebene, wenn Tropfen geschmolzenen Metalls in Richtung der Plattform 112 ausgestoßen werden, wird ein Streifen von Tropfen geschmolzenen Metalls auf dem zu bildenden Objekt gebildet. Die Steuerung 148 betätigt auch Stellelemente 144, um den Abstand zwischen dem Ausstoßvorrichtungskopf 140 und der zuletzt gebildeten Schicht auf dem Substrat einzustellen, um die Bildung anderer Strukturen auf dem Objekt zu ermöglichen. Obwohl der Drucker für geschmolzene 3D-Metallobjekte 100 in 4 als in vertikaler Ausrichtung betrieben dargestellt ist, können andere alternative Ausrichtungen eingesetzt werden. Außerdem sind, obwohl die in 4 gezeigte Ausführungsform eine Plattform aufweist, die sich in einer X-Y-Ebene bewegt, und sich der Ausstoßvorrichtungskopf entlang der Z-Achse bewegt, sind andere Anordnungen möglich. Zum Beispiel können die Stellelemente 144 konfiguriert sein, um den Ausstoßvorrichtungskopf 140 in der X-Y-Ebene und entlang der Z-Achse zu bewegen, oder sie können konfiguriert sein, um die Plattform 112 sowohl in der X-Y-Ebene als auch in der Z-Achse zu bewegen.
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Eine Steuerung 148 betätigt die Schalter 152. Ein Schalter 152 kann selektiv von der Steuerung betrieben werden, um der Heizung 160 elektrischen Strom von der Quelle 156 bereitzustellen, während ein anderer Schalter 152 von der Steuerung selektiv betrieben werden kann, um der Spule 164 elektrischen Strom von einer anderen elektrischen Quelle 156 bereitzustellen, 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 Ausstoßvorrichtungskopfs 140 gebildet wird. Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet der Begriff „Kammer“ ein Volumen, das in einer oder mehreren Wänden innerhalb eines Metalltropfen ausstoßenden Druckers enthalten ist und in dem sich eine Heizung, eine Spule und ein entfernbarer Behälter eines Druckers für 3D-Metallobjekte befinden. Der entfernbare Behälter 104 und die Heizung 160 befinden sich innerhalb einer solchen 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 mit der Steuerung 148 wirkverbunden ist. Die Steuerung kann über einen Server oder dergleichen, eine entfernte Datenbank, in der das digitale Datenmodell gespeichert ist, oder ein computerlesbares Medium, in dem das digitale Datenmodell gespeichert ist, selektiv auf das digitale Datenmodell zugreifen. Dieses dreidimensionale Modell oder ein anderes digitales Datenmodell wird von einem Slicer verarbeitet, der mit der Steuerung realisiert wird, um maschinenfähige 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 maschinenfähigen Anweisungen kann die Produktion von Zwischenmodellen einschließen, wie wenn ein CAD-Modell der Vorrichtung in ein STL-Datenmodell, ein polygonales Netz oder eine andere Zwischendarstellung umgewandelt wird, die wiederum verarbeitet werden kann, um Maschinenanweisungen, wie g-Code, zur Herstellung des Objekts durch den Drucker zu erzeugen. Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet der Begriff „maschinenfähige Anweisungen“ Computersprachbefehle, die von einem Computer, einem Mikroprozessor oder einer Steuerung ausgeführt werden, um Komponenten eines Systems zur additiven Fertigung von 3D-Metallobjekten zu betreiben, um Metallobjekte auf der Plattform 112 zu bilden. Die Steuerung 148 führt die maschinenfähigen Anweisungen zum Steuern des Ausstoßes der Tropfen geschmolzenen Metalls aus der Düse 108, der Positionierung der Plattform 112 sowie eines Aufrechterhaltens des Abstands zwischen der Öffnung 110 und einer Oberfläche des Objekts auf der Plattform 112 aus.
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Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Komponenten und Entfernen mancher der Komponenten, die nicht verwendet werden, um das Objekt während der Bildung ohne zu starres Anbringen des Objekts an der Plattform 112 zu stabilisieren, ist in 1 ein neuer 3D-Metallobjektdrucker 100' gezeigt. Der Drucker 100' schließt ein Silikatschicht-Aufbringungssystem 200 sowie eine Steuerung 148' ein, die mit programmierten Befehlen konfiguriert ist, die in einem nichtflüchtigen Speicher, der mit der Steuerung verbunden ist, gespeichert sind. Die Steuerung 148' führt programmierte Anweisungen zum Betreiben des Aufbringungssystems 200, wie nachstehend beschrieben, aus, um eine Silikatschicht zu bilden, die erhitzt wird, um eine spröde Schicht zu bilden, die ausreicht, um die Herstellung eines Metallobjekts durch das System zu unterstützen. Die Silikatschicht kann eine flüssige Lösung oder ein Pulver sein. Nach der Herstellung des Objekts können das Objekt und der Teil der spröden Schicht, der das Objekt trägt, von der Aufbauplattform 112 ohne Beschädigung des Objekts oder der Plattform entfernt werden.
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Das Aufbringungssystem 200 schließt einen Gelenkarm 204 ein, der einen Applikator 208 hält, der sich in einem Tank 212 befindet. In einer Ausführungsform enthält der Tank 212 eine Lösung von Natriumsilikat. Der Applikator 208 ist ein poröses Material, wie Filz oder ein Keramikmaterial, das die Lösung in dem Tank absorbiert. Zusätzlich kann eine Bürste oder Sprühvorrichtung verwendet werden, um die Lösung oder ein Pulver aufzutragen. Der Gelenkarm ist mit der Steuerung 148' wirkverbunden, so dass die Steuerung den Arm betätigen kann, um den Applikator vom Tank aus anzuheben und eine Schicht von flüssigem Silikat auf die Plattform 112 aufzubringen, bevor der Applikator in den Tank zurückkehrt (Schritt 1, 2). Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet der Begriff „flüssiges Silikat“ eine wässrige Lösung eines konjugierten Salzes einer beliebigen wasserlöslichen Kieselsäure. In einer Ausführungsform ist das flüssige Silikat eine wässrige Lösung von Natriumsilikat im Bereich von 1 - 40 Gew.-% an reinem Natriumsilikat, Lithiumsilikat oder Kaliumsilikat. Die wässrige Lösung von flüssigem Silikat kann ein Tensid wie Natriumdodecylsulfat zum Benetzen einschließen. Die flüssige Silikatschicht wird in der Umgebungsluft trocknen gelassen, so dass eine feste Silikathydratschicht verbleibt (Schritt 2, 2). Die Steuerung 148' betreibt die Widerstandsheizung 212, um die Temperatur der Aufbauplattform auf eine Temperatur von über 100 °C zu erhöhen, um die Plattform für den Ausstoß von Tropfen geschmolzenen Aluminiums vorzubereiten. In einer Ausführungsform wird die Aufbauplattform auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 400 °C bis etwa 500 °C angehoben. Dieser Temperaturbereich treibt auch das verbleibende Wasser in der Silikatschicht heraus und kondensiert das Silikat zu einer unlöslichen glasartigen Schicht (Schritt 3, 2). Die Tropfen geschmolzenen Aluminiums oder geschmolzener Aluminiumlegierung weisen eine Temperatur über 660 °C auf. Wenn diese Tropfen geschmolzenen Aluminiums auf die glasartige Schicht treffen, benetzen sie die Schicht reaktiv und binden durch eine partielle Redoxreaktion (Schritt 4, 2) mit der spröden Silikatschicht. Nach der Herstellung des Metallobjekts und der Beseitigung von aktiver Wärme auf die Aufbauplattform kühlen das Objekt und die Plattform auf eine Temperatur von etwa 500 °C oder weniger ab, so dass das Objekt und der Abschnitt der spröden Silikatschicht mechanisch von der Aufbauplattform getrennt werden können, ohne dass das Objekt oder die Plattform 112 beschädigt werden (Schritt 5, 2).
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In dem unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschriebenen System und Verfahren fördert die Silikatschicht die Benetzung mit und Haftung von geschmolzenem Aluminium in Bezug auf nicht benetzende und weniger intensive Bindesubstrate, wie oxidierter Stahl, wie zuvor erwähnt. Außerdem reduziert sie den Bindungsgrad zwischen geschmolzenem Aluminium und stark bindenden Substraten, wie Nickel oder Wolfram, wie zuvor erwähnt. Somit fördert die Silikatfreisetzungsschicht die Benetzung von und Haftung an Aufbauplattformen, die mehr Benetzung und Haftung benötigen, und schwächt die Benetzung von und Haftung an Aufbauplattformen ab, die weniger Benetzung und Haftung benötigen. Bei beiden Arten von Aufbauplattformen erzeugt die Silikatschicht eine Bruchebene, die wirksam ist, um das Entfernen des Metallobjekts von den meisten Aufbauplattformen zu erleichtern.
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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 zum Durchführen 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 zum Durchführen der vorstehend beschriebenen und der nachstehend 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 aus Prozessoren, ASICs, diskreten Komponenten oder VLSI-Schaltungen implementiert sein. Während der Bildung eines Metallobjekts 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 Bilden eines Metallobjekts auf einer Oberfläche einer auf der Aufbauplattform 112 gebildeten Silikatschicht wird in 3 gezeigt. 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 mit der Steuerung oder dem Prozessor wirkverbunden 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 Flussdiagramm für einen Prozess 300, der das Aufbringungssystem 200 betreibt, um eine Silikatschicht auf einer Aufbauplattform 112 zu bilden, bevor mit dem Drucker 100' ein Metallobjekt ausgebildet wird. Die Steuerung 148' ist konfiguriert, um programmierte Anweisungen auszuführen, die in einem nicht flüchtigen Speicher gespeichert sind, der mit der Steuerung wirkverbunden ist, um das Aufbringungssystem 200 zu diesem Zweck zu betreiben. Nach dem Initialisieren des Druckers (Block 304) wird der Gelenkarm betätigt, um den Applikator über die Aufbauplattformoberfläche und zurück in den Tank zu bewegen (Block 308). Ein geeigneter Zeitraum wird abgewartet, um zu ermöglichen, dass die flüssige Silikatschicht an der Luft trocknen kann, so dass keine Silikathydratschicht verbleibt (Block 312). Die Heizung für die Aufbauplattform wird betrieben, um die Aufbauplattform auf eine Temperatur in einem Bereich zu erwärmen, der zur Herstellung eines Metallobjekts ausreicht (Block 316). Die resultierende Wärme treibt das verbleibende Wasser aus der Silikatschicht heraus, so dass das Silikat zu einer glasartigen, spröden Schicht kondensiert. Während des Objektherstellungsprozesses (Block 320) benetzt das geschmolzene Aluminium reaktiv die kondensierte Silikatschicht und bindet sie. Nachdem die Objektbildung abgeschlossen ist (Block 324), wird die Heizung für die Aufbauplattform deaktiviert (Block 328), und das Objekt und die Aufbauplattform kühlen auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 25 °C bis ungefähr 500 °C ab, so dass das Objekt und der Abschnitt der spröden Silikatschicht mechanisch von der Aufbauplattform getrennt werden können, ohne dass das Objekt oder die Plattform 112 beschädigt wird (Block 332).
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Es versteht sich, dass Varianten des vorstehend 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 ebenfalls durch die folgenden Ansprüche eingeschlossen sein sollen.
