-
TECHNISCHES GEBIET
-
Diese Offenbarung ist auf Drucker für dreidimensionale (3D-) Objekte gerichtet, die geschmolzene Metalltropfen ausstoßen, um Objekte zu bilden, und genauer auf die Konstruktion von Trägerstrukturen, die die Bildung von Überhangmerkmalen und dergleichen auf den in solchen Druckern gebildeten Metallobjekten ermöglichen.
-
HINTERGRUND
-
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.
-
Manche 3D-Objektdrucker wurden entwickelt, die 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.
-
Während des Prozesses des Konstruierens eines Metallobjekts mit einem MHD-Drucker wirkt die zuvor gebildete Schicht als Träger für die nächste gedruckte Schicht. Wenn sich die nächste Schicht über den Umfang der vorherigen Schicht hinaus erstreckt und die Ausdehnung oder die Abstufung der nächsten Schicht, wie sie manchmal genannt wird, relativ klein ist, bildet sich das Teil korrekt. Ist die Abstufung relativ groß, fällt jedoch das Material in der Ausdehnung auf das Substrat und bildet das Teil nicht korrekt. Selbst wenn sich die Abstufung nicht einen Abstand erstreckt, der bewirkt, dass das Material abfällt, kann das überhängende Merkmal herunterhängen. Um dieses Problem anzugehen, werden Trägerstrukturen üblicherweise so aufgebaut, dass sie die Ausdehnungen während der Fertigung des Objekts stützen und dann diese Träger von dem Objekt entfernt werden. In der Polymeradditivfertigung können diese Träger entweder leicht von Hand weggebrochen oder in einem Lösungsmittel gelöst werden.
-
Dies ist bei Metalltropfenausstoßsystemen nicht der Fall. Wenn das geschmolzene Metall, das verwendet wird, um mit dem Drucker Objekte zu bilden, auch verwendet wird, um Trägerstrukturen zu bilden, dann wird die Trägerstruktur fest mit den Merkmalen des Objekts verbunden, die während des Verfestigens Unterstützung benötigen. Folglich ist ein erhebliches Maß an Schneiden, maschineller Bearbeitung und Polieren erforderlich, um die Träger von dem Objekt zu entfernen. Das Koordinieren eines anderen Metalltropfenausstoßdruckers unter Verwendung eines anderen Metalls ist schwierig, weil die thermischen Bedingungen für die unterschiedlichen Metalle die Aufbauumgebungen der zwei Drucker beeinflussen können. Zum Beispiel kann ein Trägerstrukturmetall mit einer höheren Schmelztemperatur das Metall, das das Objekt bildet, schwächen oder weich machen, oder eine Trägermetallstruktur mit einer niedrigeren Schmelztemperatur als das Objekt kann schwächer werden, wenn das Objektmerkmal, das mit dem bei der höheren Temperatur geschmolzenen Metall hergestellt wird, die Trägerstruktur berührt. Zusätzlich stellen hohle innere Hohlräume, wie Kanäle und gekrümmte Durchgangslöcher, auch eine Herausforderung für das Drucken dar, da Werkzeuge das Trägermaterial erreichen müssen, das verwendet wird, um die Wände dieser Hohlräume zu stützen, um es zu entfernen. In der Lage zu sein, Trägerstrukturen zu bilden, die es Metalltropfenausstoßdruckern ermöglichen, Metallobjektüberhänge, andere sich ausdehnende Merkmale und interne Hohlräume ohne Beeinträchtigen der Aufbauumgebung zu bilden, wäre vorteilhaft.
-
KURZDARSTELLUNG
-
Ein neues Verfahren zum Betreiben eines 3D-Metallobjektdruckers baut Trägerstrukturen auf, die Objektmerkmale während der Fertigung ausreichend stützen, aber aus dem fertiggestellten Metallobjekt entfernt werden können, ohne das Objekt zu beschädigen. Das Verfahren schließt das Betreiben eines Extruders zum Aufbringen einer Schicht einer Silikataufschlämmung auf eine Oberfläche und das Betreiben eines Ausstoßvorrichtungskopfs zum Ausstoßen von geschmolzenen Metalltropfen auf die Schicht der Silikataufschlämmung ein.
-
Ein neuer 3D-Metallobjektdrucker trägt eine Silikataufschlämmung auf, um die Bindung einer Oberfläche an Metalltropfen zu dämpfen, die auf die Oberfläche ausgestoßen werden. Der neue 3D-Metallobjektdrucker schließt einen Ausstoßvorrichtungskopf mit einem Behälter mit einer Aufnahme innerhalb des Behälters, der konfiguriert ist, um geschmolzenes Metall zu halten und Tropfen geschmolzenen Metalls auszustoßen, ein ebenes Element und einen Extruder ein, der konfiguriert ist, um eine Schicht einer Silikataufschlämmung auf eine Oberfläche aufzubringen.
-
Figurenliste
-
Die vorstehenden Gesichtspunkte und andere Merkmale eines Verfahrens zum Betreiben eines 3D-Metallobjektdruckers, der Trägerstrukturen aufbaut, die Objektmerkmale während der Fertigung ausreichend stützen, aber von dem fertiggestellten Metallobjekt entfernt werden können, ohne das Objekt zu beschädigen, 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 eine Silikataufschlämmung auf mindestens eine Oberfläche aufbringt, sodass die aufgebrachte Silikataufschlämmung ein Metallobjektmerkmal während der Objektfertigung stützen und dann leicht von dem fertiggestellten Metallobjekt entfernt werden kann.
- 2 ist ein schematisches Diagramm des Prozesses zum Aufbringen und Härten der Silikataufschlämmung auf eine Oberfläche, um ein Objektmerkmal zu stützen.
- 3 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Betreiben des Systems von 1, das Trägerstrukturen aufbaut, die Objektmerkmale während der Fertigung ausreichend stützen, aber von dem fertiggestellten Metallobjekt entfernt werden können, ohne das Objekt zu beschädigen.
- 4 ist ein schematisches Diagramm eines 3D-Metalldruckers nach dem Stand der Technik, der Trägerstrukturen mit geschmolzenen Metalltropfen aufbaut.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
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 Bezugsziffern gleiche Elemente.
-
4 veranschaulicht eine Ausführungsform eines zuvor bekannten 3D-Metallobjektdruckers 100, der Tropfen eines geschmolzenen Metalls ausstößt, um sowohl ein Metallobjekt als auch die Trägerstrukturen zu bilden, die verwendet werden, um das Bilden von Merkmalen, wie Überhängen oder internen Hohlräumen, zu ermöglichen. In dem Drucker von 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.
-
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 Ausstoß 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, sodass es in der Aufnahme des entfernbaren Behälters auf dem geeigneten Pegel 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 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Unter Verwendung gleicher Bezugszahlen für gleiche Komponenten und Entfernen mancher der Komponenten, die nicht verwendet werden, um während der Metallobjektbildung Trägerstrukturen aufzubauen, ist in 1 ein neuer 3D-Metallobjektdrucker 100' gezeigt. Der Drucker 100' schließt ein Silikataufschlämmungs-Aufbringungssystem 200 sowie eine Steuerung 148' ein, die mit programmierten Anweisungen konfiguriert ist, die in einem nichtflüchtigen Speicher, der mit der Steuerung verbunden ist, gespeichert sind. Die Steuerung 148' führt die programmierten Anweisungen aus, um das System 200 wie nachstehend beschrieben zu betreiben, um entweder Silikat-Trägerstrukturen zu bilden oder eine Schicht von Silikat-Material auf eine Oberfläche eines Metallträgers aufzubringen, so dass beide Arten von Trägerstrukturen leicht entfernt werden können, nachdem die Objektfertigung abgeschlossen ist.
-
Die in 1 gezeigte Druckerausführungsform weist ein Silikataufschlämmungs-Aufbringungssystem 200 auf, das einen Gelenkarm 204 einschließt, der konfiguriert ist, um einen Extruder 208 in einem dreidimensionalen (3D-) Raum über der Aufbauplattform 112 zu manövrieren. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Extruder 208 durch einen Schlauch 216 mit einem Reservoir 220 verbunden, das eine Silikataufschlämmung enthält. Der Extruder 208 ist operativ mit einem Stellelement 210 verbunden, das ein Verdrängungselement, wie einen Kolben oder eine Leitspindel, antreibt, um Silikataufschlämmung aus dem Extruder auszutreiben. Die Steuerung 148' betätigt das Stellelement 210 selektiv, um Silikataufschlämmung aus dem Extruder auszutreiben.
-
In einer Ausführungsform enthält das Reservoir 220 eine Silikataufschlämmung, wie eine mit einem Lösungsmittel und einem gelösten Stoff eines Silikatsalzes, wie Natriumsilikat, gebildete Lösung. Das Lösungsmittel kann Wasser oder eine nichtwässrige Flüssigkeit sein, wie Ethylenglykol, Propylenglykol oder dergleichen, das Silikatpartikel enthält. Silikatfeststoffteilchen werden in dieser Lösung suspendiert, um eine Aufschlämmung zu bilden. Wenn die Silikataufschlämmung auf eine Oberfläche aufgebracht und erwärmt wird, werden das Lösungsmittel und Wasser in der Lösung ausgetrieben und die verbleibenden Silikatpartikel werden miteinander verbunden. Der Begriff „Silikatpartikel“ bedeutet Sand, Kieselgel, Ton, pyrogene Kieselsäure oder dergleichen. In einer Ausführungsform schließt die Silikataufschlämmung eine wässrige Lösung von Natriumsilikat im Bereich von 1 bis 40 Gew.-% an reinem Natriumsilikat, Lithiumsilikat oder Kaliumsilikat ein. Diese wässrige Lösung kann auch ein Tensid wie Natriumdodecylsulfat zum Benetzen einschließen. Wie in diesem Dokument verwendet, bedeutet der Begriff „Silikataufschlämmung“ eine Lösung aus einem Wasser oder einem nichtwässrigen Lösungsmittel und einem in dem Lösungsmittel gelösten Konjugatsilikatsalz mit Silikatpartikeln, die in der Lösung suspendiert sind. Die Feststoffpartikelgröße der Silikatpartikel und die Packung in der im Reservoir 212 gelagerten ungehärteten Mischung ist ausreichend porös, um einen schnellen Lösungsmittelverlust bei hohen Drucktemperaturen zu tolerieren, während die mechanische Integrität der aus dem Material hergestellten Trägerstruktur aufrechterhalten wird. Die Partikel in der Silikatlösung weisen einen durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von etwa 50 Nanometer bis etwa 250 Mikrometer auf, aber Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von etwa 10 Mikrometer bis etwa 250 Mikrometer bilden robustere Trägerstrukturen.
-
Der Prozess, der während der Aufbringung der Silikataufschlämmung auf eine Metallträgerstruktur oder während des Aufbauens einer Silikatträgerstruktur auftritt, und die Reaktion eines Metallobjektmerkmals mit der Silikatschicht sind in 2 gezeigt. Um diesen Prozess zu starten, wird der Gelenkarm 204 von der Steuerung 148' betrieben, um den Extruder 208 über der Aufbauplattform zu bewegen und eine oder mehrere Schichten der Silikataufschlämmung entweder auf einer Trägerstruktur zu extrudieren, die mit geschmolzenen Metalltropfen gebildet ist, die aus dem Extruderkopf 140 ausgestoßen werden, oder um eine geschichtete Trägerstruktur 212 zusammen mit Objektschichten zu bilden. Schritt A, 2. Die Steuerung 148 verzögert eine vorbestimmte Zeit, sodass die Wärme in der von der Widerstandsheizung 214 erzeugten Aufbauumgebung und die aus dem Ausstoßvorrichtungskopf 140 ausgestoßenen geschmolzenen Metalltropfen das Lösungsmittel und Wasser aus den Silikataufschlämmungsschichten der Trägerstruktur oder der oberen Silikataufschlämmungsschicht, die auf eine Oberfläche einer Metallträgerstruktur aufgebracht wird, verdunsten, sodass die Silikatfeststoffteilchen der Trägerstruktur oder die obere Oberfläche miteinander verschmelzen, um zu einer unlöslichen, glasartigen Schicht zu werden. Schritt B, 2. Die vorbestimmte Verzögerungszeit wird empirisch für jede Art von Metall bestimmt, das zum Bilden von Objekten verwendet wird, da unterschiedliche Metalle bei unterschiedlichen Temperaturen für die Metalltropfenausstoßung und die Objektbildung gehalten werden. In einer Ausführungsform liegt die Druckeraufbauumgebung in einem Temperaturbereich von etwa 400 °C bis etwa 500 °C Bereich, da die Heizung 214 konfiguriert ist, um die Wärme der Aufbauplattform in einem Bereich von etwa 400 °C bis etwa 450 °C Bereich aufrechtzuerhalten, und die geschmolzenen Aluminium- oder Aluminiumlegierungstropfen weisen eine Temperatur über 660 °C auf. Wenn die Steuerung 148' den Ausstoßvorrichtungskopf 140 betreibt, um die Objektschichten zu bilden, die das Objektmerkmal einschließen, das durch die Trägerstruktur 212 gestützt wird, treffen die geschmolzenen Aluminiumtropfen auf die glasartige Schicht der Trägerstruktur, benetzen die Schicht reaktiv und verbinden sich durch eine partielle Redoxreaktion mit der Silikatschicht. Schritt C, 2. Nach der Fertigung des Metallobjekts wird die Widerstandsheizung 214 deaktiviert, sodass das Objekt und die Plattform auf eine Temperatur von etwa 500 °C oder weniger abkühlen können. In diesem Temperaturbereich können das Objekt und die Trägerstruktur mechanisch ohne Schaden an dem Objekt von der Aufbauplattform getrennt werden. Schritt D, 2. Etwaige Silikatschichten, die nach dem Entfernen der Trägerstruktur und dem Objekt von der Aufbauplattform 112 noch an dem Objektmerkmal haften, können mit einem Lösungsmittel wie Wasser oder dergleichen oder lichtmechanischer Wirkung entfernt werden. Schritt E, 2.
-
In dem unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschriebenen System und Verfahren fördert die Oberfläche eines Silikatträgers oder der Silikatschicht auf einer Oberfläche eines geschmolzenen Metallträgers das Benetzen mit geschmolzenem Aluminium und eine Haftung mit dem geschmolzenen Aluminium, das zum Aufbauen des Objektmerkmals verwendet wird. Die Haftung der brüchigen Silikatträgerstruktur an dem Aluminiumobjektmerkmal ermöglicht es, dass das Objekt von der Trägerstruktur entfernt wird, ohne das Objekt zu beschädigen.
-
Die Steuerung 148' kann mit einem oder mehreren allgemeinen oder spezialisierten programmierbaren Prozessoren realisiert werden, welche programmierte Anweisungen ausführen. Die Anweisungen 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 Schnittstellenschaltlogik 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.
-
Ein Prozess 300 zum Betreiben des 3D-Metallobjektdruckers 100' zum Bilden von Silikatträgerstrukturen auf der Aufbauplattform 112 oder zum Aufbringen einer Schicht von Silikataufschlämmung auf Metallträgerstrukturen ist 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-transitorischen, 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 Schaltlogiken 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.
-
3 ist ein Flussdiagramm für einen Prozess 300, der das Silikataufschlämmungs-Aufbringungssystem 200 betreibt, um entweder eine Silikatträgerstruktur zu bilden oder eine Schicht von Silikataufschlämmung auf eine Oberfläche einer Metallträgerstruktur aufzubringen, bevor ein Metallobjektmerkmal gebildet wird, das von einer Art von Struktur getragen wird. Die Steuerung 148' ist konfiguriert, um programmierte Anweisungen auszuführen, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, der mit der Steuerung wirkverbunden ist, um das System 200 zu diesem Zweck zu betreiben. Nachdem der Drucker initialisiert wurde (Block 304), wird der Ausstoßvorrichtungskopf 140 betätigt, um eine Objektschicht zu bilden (Block 308), und der Prozess bestimmt, ob eine Trägerstrukturschicht gedruckt werden soll, und den Typ des Trägers, der gebildet wird (Block 312). Als Reaktion auf die Erkennung einer Silikatträgerschicht wird der Extruder 208 in Position über der Aufbauplattform bewegt, um eine Schicht einer Silikatträgerstruktur zu bilden (Block 314). Soll die Trägerstruktur mit dem geschmolzenen Metall gebildet werden, dann wird der Ausstoßvorrichtungskopf 140 betrieben, um die Metallträgerstrukturschicht zu bilden (Block 316), und der Prozess bestimmt, ob die kürzlich gebildete Schicht des Metallträgers die letzte ist (Block 318). Wenn sie es ist, wird der Extruder 208 betrieben, um eine Schicht von Silikataufschlämmung auf die letzte Schicht der Metallträgerstruktur aufzubringen (Block 320). Nachdem eine Trägerschicht gebildet wurde oder wenn keine Trägerschicht erkannt wurde, bestimmt der Prozess, ob eine weitere Objektschicht gedruckt werden soll (Block 322). Der Prozess des Druckens von Objektschichten und Trägerstrukturschichten setzt sich fort, bis keine weiteren Objektschichten gedruckt werden sollen. An diesem Punkt werden die Heizungen in dem Drucker deaktiviert (Block 324), und das Objekt und die Aufbauplattform kühlen auf eine Temperatur im Bereich von etwa 25 °C bis etwa 500 °C Bereich ab, so dass das Objekt und der Abschnitt der brüchigen Silikatschicht mechanisch von der Aufbauplattform getrennt werden können, ohne das Objekt zu beschädigen (Block 328). Wurden Kanäle unter Verwendung des Silikatmaterials gebildet, um die Kanalwände während der Objektbildung zu stützen, dann kann das Silikatmaterial unter Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels, wie Wasser oder dergleichen, entfernt werden.
-
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. Zum Beispiel kann die Steuerung 148' konfiguriert sein, um das Silikataufschlämmungs-Aufbringungssystem zu betreiben, um eine Schicht der Silikataufschlämmung auf die Plattform 112 aufzubringen, bevor geschmolzene Metalltropfen ausgestoßen werden, um die Basisschicht eines Metallobjekts zu bilden. 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.
