DE112005003693T5 - Pressure cell and printhead for printing molten metals - Google Patents

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Abstract

Druckkopf zum Ausstoßen einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, mit mindestens einem Wendelring mit einer Ringachse, mindestens einem im Wesentlichen parallel zur Ringachse angeordneten Zuführkanal sowie mindestens einem Ausstoßkanal, der im Wesentlichen orthogonal zur Ringachse angeordnet ist, wobei der mindestens eine Ausstoßkanal mit einer ersten und einer zweiten Elektrode verbunden ist, die zueinander ausgerichtet sind und im Wesentlichen orthogonal zur Ringachse und zum Ausstoßkanal angeordnet sind.printhead for discharging an electrically conductive liquid, with at least one helical ring with a ring axis, at least a substantially parallel to the ring axis arranged feed channel and at least one ejection channel that is substantially orthogonal is arranged to the ring axis, wherein the at least one ejection channel is connected to a first and a second electrode, the are aligned with each other and substantially orthogonal to Ring axis and the discharge channel are arranged.

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Figure 00000001

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Metallgegenstände, wie sie beispielsweise bei der Herstellung massiver Freeform-Formen verwendet werden. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung einen Druckkopf zum Drucken verflüssigter Metalle, wie Aluminium, Magnesium, Bronze, Titan oder Stahl, in Form von Tröpfchen oder als kontinuierlichen Strom auf einen Träger, um aus den gedruckten Materialien 2D- oder 3D-Objekte herzustellen. Durch Steuern der Bewegung des Druckkopfs und des Trägers relativ zueinander kann ein Teil Schicht für Schicht aufgebaut werden. Dies ist besonders bei der Schnellherstellung und der Herstellung massiver Freeform-Formen von Nutzen.The This invention relates generally to a system and method for manufacturing three-dimensional metal objects, as for example used in the manufacture of massive freeform molds. More accurate said, the invention relates to a printhead for printing liquefied Metals, such as aluminum, magnesium, bronze, titanium or steel, in the form from droplets or as a continuous stream to one Carrier to use the printed materials 2D or 3D objects manufacture. By controlling the movement of the printhead and the Carrier relative to each other can be a part layer for Layer to be built. This is especially in the fast production and the production of massive freeform forms of utility.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Auf dem Gebiet der Tintenstrahldrucker und Metallsprühvorrichtungen sind Ausstoßtechniken für Flüssigkeitströpfchen gut bekannt. Tintenstrahldrucker erzeugen typischerweise ein Druckbild durch Ausstoßen von Tinten auf Wasserbasis oder von Heißschmelzwachsen durch eine Öffnung auf der Umgebungs- oder einer relativ niedrigen Temperatur. Zum Herstellen der Ausstoßmechanismen für diese Drucker wird wegen der niedrigen Temperatur des Druckprozesses eine große Vielfalt von Materialien verwendet. Beispielsweise werden piezoelektrische Kristalle dazu verwendet, ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal zu wandeln, um ein Tintentröpfchen niedriger Temperatur auszustoßen. Bei einem anderen Beispiel wird ein Bündel feiner Drähte dazu verwendet, einen Ultraschallimpuls an einen Tintenmeniskus zu übertragen, um ein Tintentröpfchen bei niedriger Temperatur auszustoßen. Bei Temperaturen über 600°C zersetzen sich piezoelektrische Materia lien und Bündel feiner Drähte, oder sie stellen ihre Funktion ein und sind daher ungeeignet.On the field of inkjet printers and metal sprayers are ejection techniques for liquid droplets well known. Inkjet printers typically produce a printed image by ejecting water-based inks or hot melt waxes through an opening on the ambient or a relative low temperature. For making the ejection mechanisms for this printer is due to the low temperature of the printing process a wide variety of materials used. For example Piezoelectric crystals are used to produce an electrical Signal to convert an acoustic signal to an ink droplet low temperature. In another example a bunch of fine wires is used to to transmit an ultrasonic pulse to an ink meniscus, to eject an ink droplet at low temperature. At temperatures above 600 ° C, piezoelectric decomposes Materia lien and bundles of fine wires, or they provide their function and are therefore unsuitable.

Das Dokument GB 1472939 wurde 1977 von Osprey Metals Ltd. eingereicht, und es ist auf eine Metallsprühvorrichtung gerichtet. Die beschriebene Vorrichtung stößt Tröpfchen aus, die unberechenbaren Bahnen folgen und nicht zum Aufbauen genauer Strukturen verwendet werden können.The document GB 1472939 was founded in 1977 by Osprey Metals Ltd. filed, and it is directed to a metal spray device. The device described emits droplets that follow unpredictable paths and can not be used to build accurate structures.

Das Dokument US 5257657 wurde 1993 von Incre Inc. (USA) eingereicht, und es beschreibt die Herstellung eines dreidimensionalen Freeform-Objeks fester Phase aus Tröpfchen eines Flüssigphasenmaterials mit beträchtlicher Oberflächenspannung und gut definierten Erstarrungseigenschaften. Das Flüssigphasenmaterial wird in diskreten Tröpfchen von einem Ausstoßkopf auf einen Träger ausgestoßen. Die Temperatur, die Frequenz, die Größe und die Bahn der Tröpfchen sowie die relative Bewegungsgeschwindigkeit zwischen dem Träger und dem Ausstoßkopf werden so eingestellt, dass eine Kompensation betreffend physikalische Eigenschaften des Flüssigphasenmaterials und die Wärmeabführeigenschaften des wachsenden Objekts kompensiert werden, um ein gewünschtes Objekt auszubilden.The document US 5257657 was filed in 1993 by Incre Inc. (USA) and describes the preparation of a three-dimensional free-form solid-phase objet from droplets of liquid phase material having substantial surface tension and well-defined solidification properties. The liquid phase material is ejected in discrete droplets from an ejection head onto a support. The temperature, frequency, size and trajectory of the droplets as well as the relative speed of movement between the carrier and the ejection head are adjusted to compensate for the physical properties of the liquid phase material and the heat dissipating properties of the growing object to form a desired object.

Das Dokument US 5171360 wurde 1992 von der University of Southern California eingereicht, und es beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Produkts durch Lenken eines Flüssigkeitsstroms von einer Düse auf einen Kollektor in Form des gewünschten Produkts. Durch Ausüben einer Störung auf den Flüssigkeitsstrom wird ein Tröpfchenstrom erzeugt. Die beschriebene Vorrichtung zum Herstellen eines netzförmigen Produkts verfügt über eine unter. Druck stehende Quelle geschmolzenen Materials, einen Halter zum Positionieren eines Produktkollektors in einer Kammer, wobei der Kollektor ein gewünschtes Produkt bestimmt, und einen in der Kammer positionierten Tröpfchenstromgenerator. Die Vorrichtung verfügt ferner über eine Leitung zum Leiten geschmolzenen Mate rials von der Materialquelle zur Generatordüse, einen Mechanismus, typischerweise einen Modulator, zum Stören des Tröpfchenstroms, und einen Antriebsmechanismus für eine Relativbewegung der Düse und des Halters.The document US 5171360 was submitted in 1992 by the University of Southern California, and describes a method of making a product by directing a flow of liquid from a nozzle to a collector in the form of the desired product. By applying a disturbance to the liquid flow, a stream of droplets is generated. The described device for producing a reticulated product has an under. A pressurized source of molten material, a holder for positioning a product collector in a chamber, wherein the collector determines a desired product, and a droplet flow generator positioned in the chamber. The apparatus further includes a conduit for conducting molten material from the material source to the generator nozzle, a mechanism, typically a modulator, for perturbing the droplet stream, and a drive mechanism for relative movement of the nozzle and the holder.

Das 1997 von Davon Gore eingereichte Dokument US 5598200 ist auf eine relativ komplizierte Vorrichtung zum bedarfsorientierten Ausstoßen eines diskreten Flüssigkeitströpfchens bei hoher Temperatur entlang einer vorbestimmten Bahn durch Übertragen eines körperlichen Impulses von einer Niedertemperaturumgebung in eine Hochtemperaturumgebung gerichtet. Die Ausstoßvorrichtung verfügt über ein Behältnis mit einem Inneren, das eine unter hoher Temperatur stehende Flüssigkeit, wie flüssiges Metall (Aluminium (Al), Zinn (Sn), Zink (Zn)) enthält. Das Innere verfügt über ein Einlassende mit einer wärmeisolierenden, impulsübertragenden Vorrichtung, eine Einspeisezufuhr für das Tröpfchenmaterial sowie einen Ausstoßbereich mit einer Mündung, durch die die diskreten Tröpfchen ausgestoßen werden. Durch das Einlassende wird ein Inertgas in das Behältnis eingespeist, um über der Flüssigkeit einen Überdruck zu erzeugen. Durch Erhöhen des Überdrucks wird die Tröpfchengröße erhöht. Ein Heizer erhitzt das im Inneren aufgenommene Material. Es ist ein Impulsgenerator angeschlossen, der der Impulsübertragungsvorrichtung einen physikalischen Impuls verleiht, um an der Mündung einen Ausstoßdruck zu erzeugen, um ein diskretes Tröpfchen der unter hoher Temperatur stehenden Flüssigkeit auszustoßen.The document submitted in 1997 by Davon Gore US 5598200 is directed to a relatively complicated apparatus for on-demand ejection of a discrete liquid droplet at a high temperature along a predetermined path by transferring a physical impulse from a low temperature environment to a high temperature environment. The ejector has a receptacle with an interior containing a high temperature liquid such as liquid metal (aluminum (Al), tin (Sn), zinc (Zn)). The interior has an inlet end with a heat-insulating pulse transmitting device, a feed for the droplet material, and a discharge area with a mouth through which the discrete droplets are ejected. An inert gas is fed into the container through the inlet end to create an overpressure over the liquid. Increasing the overpressure increases the droplet size. A heater heats the material absorbed inside. A pulse generator is connected which imparts a physical pulse to the impulse transmission device to produce an ejection pressure at the orifice to expel a discrete droplet of the high temperature liquid.

Das Dokument US 6149072 wurde 2000 durch die University of Arizona eingereicht, und es ist auf ein Tröpfchen aus Wahlsystem und ein Verfahren zur Freeform-Herstellung dreidimensionaler Objekte gerichtet. Geschmolzenes Metall wird als kontinuierlicher Strom unter dem Einfluss von Gravitationskräften ausgestoßen. Der Strom wird durch eine störende Schwingung, die mechanisch oder akustisch im Schmelzbad induziert wird, zu Tröpfchen aufgebrochen. Um mechanische Teile aufbauen zu können, muss der kontinu ierliche Tröpfchenstrom ein- und ausgeschaltet werden können – oder alternativ müssen 'unerwünschte' Tröpfchen durch elektrostatische Kräfte zu einem Kollektor abgelenkt werden, der verhindert, dass erwünschte Tröpfchen das Ziel erreichen. Es können viele Tröpfchen nebeneinander erzeugt werden, um eine Linie zu bilden. Auch ist in den Zeichnungen ein Matrixdruckkopf mit individuell aktivierten Düsen dargestellt.The document US 6149072 was submitted in 2000 by the University of Arizona, and it is directed to a droplet of voting system and a method for freeforming three-dimensional objects. Molten metal is ejected as a continuous stream under the influence of gravitational forces. The current is broken up into droplets by a disturbing vibration, which is induced mechanically or acoustically in the molten bath. In order to build mechanical parts, the continuous stream of droplets must be switched on and off - or alternatively, 'unwanted' droplets must be deflected by electrostatic forces to a collector that prevents desired droplets from reaching the target. Many droplets can be created side by side to form a line. Also shown in the drawings is a matrix printhead with individually activated nozzles.

Das Dokument US 5960853 wurde 1999 von Aeroquip Corp (USA) eingereicht, und es beschreibt eine Vorrichtung zum Erzeugen eines dreidimensionalen Freeform-Gegenstands unter Verwendung einer schichtweisen Abscheidung eines geschmolzenen Metalls. Im Wesentlichen wird zum Erzeugen von Tröpfchen dasselbe Verfahren verwendet, wie es in US 6149072 beschrieben ist. Die Herstellung eines dreidimensionalen Teils ist detailliert beschrieben.The document US 5960853 was filed in 1999 by Aeroquip Corp. (USA) and describes an apparatus for producing a three-dimensional freeform article using a layered deposition of a molten metal. Essentially, the same method is used to generate droplets as described in U.S. Pat US 6149072 is described. The production of a three-dimensional part is described in detail.

Das Dokument US 6202734 wurde 2001 von Sandia Corp. (USA) eingereicht, und es beschreibt eine relativ voluminöse und komplizierte Vorrichtung zum Liefern von Tröpfchen geschmolzenen Metalls zum Herstellen von Teilen aus Metall. Die Vorrichtung verfügt über eine Einrichtung zum Liefern geschmolzenen Metalls, eine Einrichtung zum Erhitzen von geschmolzenem Metall in solcher Weise, dass es flüssig verbleibt, während es sich innerhalb der Vorrichtung befindet, eine Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfelds in einer Richtung orthogonal zur Einrichtung zum Zuführen von geschmolzenem Metall, eine Einrichtung zum Übertragen eines elektrischen Stroms direkt an das geschmolzene Metall, um eine Kraft in einer ersten Richtung auf dieses auszuüben. Das Magnetfeld wird durch einen Permanentmagnet erzeugt, wodurch die Anwendung auf Temperaturen unter 500°C eingeschränkt ist. Das Patent zeigt das Design einer Einzelzelle unter Verwendung einer Schichtstrategie.The document US 6202734 was acquired by Sandia Corp. in 2001. (USA), and it describes a relatively bulky and complicated apparatus for supplying droplets of molten metal for producing parts of metal. The apparatus has means for supplying molten metal, means for heating molten metal to remain liquid while inside the apparatus, means for applying a magnetic field in a direction orthogonal to the means for feeding molten metal molten metal, means for transmitting an electric current directly to the molten metal to apply a force in a first direction thereto. The magnetic field is generated by a permanent magnet, which limits the application to temperatures below 500 ° C. The patent shows the design of a single cell using a layer strategy.

ZU LÖSENDES PROBLEMPROBLEM TO BE SOLVED

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Druckkopf zu schaffen, der dazu geeignet ist, flüssiges Metall auszustoßen, wobei er über einen einfachen und robusten Aufbau verfügt. Ferner ist es eine Aufgabe, die Steuerung des Ausstoßprozesses, wie den Ausstoßzeitpunkt, die Menge des ausgestoßenen Materials, die Ausstoßgeschwindigkeit und andere relevante Prozessparameter zu steuern. Es ist eine weitere Aufgabe, einen Druckkopf zu schaffen, der geschmolzene Metalle, wie flüssigen Stahl oder Aluminium und andere Metalle, bei sehr hohen Temperaturen ausstoßen kann. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Druckkopf mit modularem Aufbau, mit mehreren Druckzellen, die individuell aktiviert und gesteuert werden können, zu schaffen. Es ist noch eine weitere Aufgabe, einen Druckkopf mit einem Aufbau zu schaffen, der zur Miniaturisierung geeignet ist, damit sehr kleine Mengen an verflüssigtem Material ausgestoßen werden können.It An object of the invention is to provide a printhead which suitable for ejecting liquid metal, where he has a simple and robust design. Furthermore, it is an object to control the ejection process, like the ejection time, the amount of ejected Material, the ejection speed and other relevant Control process parameters. It's another job, one Printhead to create molten metals, such as liquid Steel or aluminum and other metals, at very high temperatures can emit. It is another object of the invention a printhead with a modular design, with several pressure cells, which can be activated and controlled individually, to accomplish. It is still another object to have a printhead with a Construction to create, which is suitable for miniaturization, so emitted very small amounts of liquefied material can be.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die Erfindung ist auf eine Druckzelle und einen Druckkopf gerichtet, der aus mehreren einzelnen Druckzellen besteht, von denen jede so aufgebaut ist, dass ein bedarfsorientiertes Ausstoßen einer spezifizierten Menge an flüssigem Material möglich ist, wenn ein Befehl von außen empfangen wird.The Invention is directed to a pressure cell and a print head, which consists of several individual pressure cells, each of which is so is constructed that a demand-oriented ejection of a specified amount of liquid material possible is when a command is received from the outside.

Das Betriebsprinzip einer bevorzugten Ausführungsform einer Druckzelle beruht auf magnetohydrodynamischem Pumpen (ab jetzt als MHD-Pumpen bezeichnet). Beim MHP-Pumpen wirkt eine Lorentzkraft auf eine sich bewegende Ladung, die im Wirkungsbereich eines Magnetfelds liegt. Durch zwei Elektroden, die mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit in einem Kanal in Kontakt stehen, wird eine Spannung an diese elektrisch leitende Flüssigkeit im Kanal gelegt, so dass zwischen den zwei Elektroden ein Strom fließt, so dass bewegte Ladungen vorliegen. Dadurch, dass ein Magnetfeld im Wesentlichen orthogonal zur generellen Richtung des Stroms und zum Strömungskanal angelegt wird, wird eine solche Kraft auf die Flüssigkeit im Kanal ausgeübt, dass sie durch diesen gepumpt wird.The Operating principle of a preferred embodiment of a Pressure cell based on magnetohydrodynamic pumping (from now as MHD pumps called). The MHP pumps have a Lorentz force on a moving charge that is in the working range of a magnetic field lies. By two electrodes connected to an electrically conductive Liquid in a channel in contact, becomes a voltage placed on this electrically conductive liquid in the channel, so that a current flows between the two electrodes, so that there are moving charges. Because of a magnetic field essentially orthogonal to the general direction of the flow and to Flow channel is created, such a force is on the liquid in the channel is exerted by it this is pumped.

Ein Druckkopf verfügt im Allgemeinen über einen wendelförmigen Ring zum Erzeugen eines Magnetfelds sowie mindestens einen Zuführkanal, der im Wesentlichen parallel zur Ringachse angeordnet ist. Ausstoßkanäle sind mit mindestens einem Zuführkanal verbunden, und sie sind im Wesentlichen orthogonal zur Ringachse und zum Zuführkanal angeordnet. Jeder Ausstoßkanal verfügt über zwei zueinander ausgerichtete Elektroden, die mit dem verflüssigten Material in Kontakt stehen, das zum Ausstoßen im Ausstoßkanal bereit steht. Die Elektroden sind im Wesentlichen orthogonal zur Ringachse und zum Ausstoßkanal angeordnet. Um eine spezifizierte Menge an verflüssigtem Material durch den Ausstoßkanal auszustoßen, wird durch den Ring dadurch ein Magnetfeld erzeugt, dass eine erste Spannung an ihn gelegt wird. Durch Anlegen einer zweiten Spannung an die Elektroden existieren ein Strom und demgemäß bewegte Ladungen im verflüssigten Material zwischen den Elektroden. Dadurch wird eine Lorentzkraft parallel zum Ausstoßkanal erzeugt, die auf das verflüssigte Material einwirkt, so dass dieses auf eine definierte Weise aus dem Ausstoßkanal ausgestoßen wird. Abhängig von der Größe des Ausstoßkanals und dem Ausstoßkopf ist es möglich, Tröpfchen mit einem Durchmesser von beispielsweise 100 μm auszustoßen oder Material als kontinuierlichen Materialstrom auszustoßen.A printhead generally has a helical ring for generating a magnetic field and at least one feed channel disposed substantially parallel to the ring axis. Discharge channels are connected to at least one feed channel and are arranged substantially orthogonal to the ring axis and to the feed channel. Each ejection channel has two aligned electrodes which are in contact with the liquefied material ready to be expelled in the ejection channel. The electrodes are arranged substantially orthogonal to the ring axis and to the ejection channel. To eject a specified amount of liquefied material through the ejection channel, a magnetic field is generated by the ring by applying a first voltage thereto. By applying a second voltage to the electrodes, there exists a current and thus moved charges in the liquefied material between the electrodes. As a result, a Lorentz force is generated parallel to the discharge channel, which acts on the liquefied material, so that this out in a defined manner from the discharge channel will come across. Depending on the size of the ejection channel and the ejection head, it is possible to eject droplets having a diameter of, for example, 100 μm, or eject material as a continuous stream of material.

Wenn es zweckdienlich ist, ist der Ausstoßkanal mit einer Ausstoßdüse zum genauen Formen des vom Ausstoßkanal ausgestoßenen Strahls auf die erforderliche Weise versehen. Abhängig vom Anwendungsgebiet verfügt die Ausstoßdüse über einen konvergenten oder einen divergenten Flüssigkeitskanal, oder eine Kombination der beiden (konvergent-divergent), wobei der konvergente Kanal in der Strömungsrichtung von einem weiten Durchmesser auf einen kleineren Durchmesser verengt ist und der divergente Kanal von einem kleineren Durchmesser auf einen größeren aufgeweitet ist. Die Seitenwände der Düse können gerade, konkav oder konvex sein. Beispielsweise wird durch eine konvergente Düse mit konvexen Seitenwänden bewerkstelligt, dass sich am Auslass der Düse ein schneller Flüssigkeitsstrahl ergibt. Abhängig vom auszustoßenden Material ist es von Vorteil, wenn die Öffnung am Düsenauslass scharfe Ränder oder eine Abschrägung aufweist, so dass sich eine genaue Abreißkante einstellt. Die Ausstoßdüse besteht vorzugsweise aus einem wärmeisolierenden Material, so dass vom auszustoßenden Material keine überflüssige Wärmeenergie abgezogen wird. Wenn es zweckdienlich ist, kann die Ausstoßdüse über die Außenkontur des Druckkopfs überstehen, um den Abstand zwischen diesem und dem Träger zu bestimmen.If it is expedient, is the discharge channel with a discharge nozzle for accurately shaping the ejected from the discharge channel Beam provided in the required manner. Dependent From the application area, the ejection nozzle has over a convergent or a divergent fluid channel, or a combination of the two (convergent-divergent), wherein the convergent channel in the flow direction of a wide Diameter is narrowed to a smaller diameter and the divergent Channel from a smaller diameter to a larger one is widened. The side walls of the nozzle can be straight, concave or convex. For example, by a Convergent nozzle accomplished with convex sidewalls, that at the outlet of the nozzle results in a fast liquid jet. Depending on the material to be ejected, it is of Advantage if the opening at the nozzle outlet sharp Has edges or a bevel so that an exact tear-off edge is set. The ejection nozzle preferably consists of a heat-insulating material, so that the material to be ejected is not superfluous Heat energy is subtracted. If it is expedient can the ejection nozzle on the outer contour of the printhead survive the distance between this and the wearer.

Falls es zweckdienlich ist, können ein oder mehrere Ausstoßkanäle mit der Außenumgebung oder durch einen Entspannungskanal mit einer Gasversorgung verbunden sein. Durch den Entspannungskanal kann ein Gas oder ein anderes geeignetes Fluid in den Ausstoßkanal geliefert/gesaugt werden, wenn das Druckmaterial beschleunigt wird. So kann im Gebiet, in dem der Entspannungskanal auf den Ausstoßkanal trifft, eine Trennung der Flüssigkeit zwischen den Elektroden und eine Flüssigkeitszufuhr bewerkstelligt werden, so dass nur eine kleine Masse der auszustoßenden Flüssigkeit beschleunigt werden muss. Nach dem Ausstoßen einer Flüssigkeitsmenge ersetzt die zugeführte Flüssigkeit erneut das angesaugte Gas, und der Ausstoßkanal wird vollständig mit dem Arbeitsmaterial gefüllt.If it is expedient to have one or more ejection channels with the outside environment or through a relaxation channel be connected to a gas supply. Through the relaxation channel may be a gas or other suitable fluid in the discharge channel delivered / sucked when the print material is accelerated. Thus, in the area where the expansion channel on the discharge channel meets, a separation of the liquid between the electrodes and a liquid supply be accomplished, so that only a small mass of the liquid to be ejected has to be accelerated. After ejecting a quantity of liquid replaces the supplied liquid again sucked Gas, and the discharge channel is completely with filled with the working material.

Um ein Gefrieren des im Zuführkanal und im Ausstoßkanal vorhandenen Materials zu vermeiden, muss es erhitzt werden. Dies kann dadurch realisiert werden, dass der Ring so aufgebaut wird, dass er eine ausreichende Restwärme liefert, und/oder dadurch, dass eine zusätzliche Heizeinrichtung innerhalb und/oder außerhalb des Rings angeordnet wird. Durch Modifizieren der Amplitude und des Vorzeichens der ersten und der zweiten Spannung ist es möglich, die auf das auszustoßende Material wirkende Kraft und damit das Verhalten des Ausstoßvorgangs genaue einzustellen.Around a freezing of the in the feed and in the discharge channel To avoid existing material, it must be heated. This can be realized by constructing the ring so that it provides sufficient residual heat, and / or by that an additional heater inside and / or is placed outside the ring. By modifying the amplitude and sign of the first and second voltages Is it possible to apply the material to be ejected acting force and thus the behavior of the ejection process to set exact.

Auf Grund der Tatsache, dass eine Druckzelle Metalle wie Aluminium, Stahl, Bronze, Titan und andere Metallmaterialien in ihrer flüssigen Form drucken kann, müssen die für die Druckzellen und den Druckkopf verwendeten Materialien beim Schmelzpunkt der auszustoßenden Materialien und in einem bestimmten Bereich darüber thermisch stabil sein. Geeignete elektrisch leitende Materialien, die für den elektrisch leitenden Teil der Vorrichtung verwendbar sind, sind beispielsweise Wolfram mit einem Schmelzpunkt von 3422°C oder Tantal mit einem Schmelzpunkt von 3017°C. Es sei darauf hingewiesen, dass abhängig vom Anwendungsgebiet andere Materialien geeignet sein können. Geeignete elektrisch isolierende Materialien sind solche aus der Gruppe der Keramiken wie Aluminiumoxid (Al2O3), das auch als Alumina bezeichnet wird. Alternativ können andere Materialien mit hoher Temperaturstabilität geeignet sein. Alle Materialien, die mit dem auszustoßenden flüssigen Metall in Kontakt stehen, sollten bei hohen Temperaturen thermisch stabil sein und nicht durch das flüssige Metall anlösbar sein.Due to the fact that a pressure cell can print metals such as aluminum, steel, bronze, titanium and other metal materials in their liquid form, the materials used for the pressure cells and the print head must be thermally stable at the melting point of the materials to be ejected and in a certain range thereof be. Suitable electrically conductive materials useful for the electrically conductive portion of the device include, for example, tungsten having a melting point of 3422 ° C or tantalum having a melting point of 3017 ° C. It should be noted that depending on the field of application, other materials may be suitable. Suitable electrically insulating materials are those from the group of ceramics such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ), which is also referred to as alumina. Alternatively, other materials with high temperature stability may be suitable. All materials in contact with the liquid metal to be ejected should be thermally stable at high temperatures and not be dissolvable by the liquid metal.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer Druckzelle gemäß der Erfindung verfügt vorzugsweise über einen Aufbau aus Schichten aus elektrisch leitenden und nicht leitenden Materialien, die in einer Einzelschicht kombiniert sind. Die Einzelschichten des Materials können beispielsweise durch Ausstanzen verschiedener Formen dünner Materialschichten hergestellt werden. Dann werden die Einzelschichten so zusammengebaut, dass mindestens ein Teil des elektrisch leitenden Materials durch ein elektrisch nicht leitendes Material umgeben ist. Um die Vorrichtung zusammenzubauen, werden die Einzelschichten des Materials so aufeinander gegeben, dass sich zwischen ihnen in einem speziellen Gebiet ein elektri scher Kontakt einstellt. Die Einzelschichten können miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Sintern oder einen anderen geeigneten Prozess. Alternativ, oder zusätzlich bietet der Schichtaufbau die Möglichkeit, die Einzelschichten zusammenzuklemmen, was ein einfaches Zusammenbauen und Auseinanderbauen der Vorrichtung ermöglicht.A preferred embodiment of a pressure cell according to the Invention preferably has a structure from layers of electrically conductive and non-conductive materials, which are combined in a single layer. The individual layers of the Materials can, for example, by punching various Forms of thin material layers are produced. Then The single layers are assembled so that at least one Part of the electrically conductive material by an electrically not surrounded by conductive material. To assemble the device the individual layers of the material are given to each other, that between them in a special area an electrical shear Contact sets. The individual layers can interact be connected, for example, by sintering or another suitable process. Alternatively, or in addition offers the layer structure the possibility of the single layers clamp, what a simple assembly and disassembly allows the device.

Durch den Schichtaufbau ist es möglich, einen Druckkopf mit einem dreidimensionalen Wendelring und mehreren Druckzellen zum Ausstoßen von verflüssigtem Material zusammenzubauen. Dabei wird die Ringachse des dreidimensionalen Rings normalerweise parallel zu mindestens einem Zuführkanal für verflüssigtes Material und parallel zu einem mit diesem verbundenen Ausstoßkanal angeordnet.By the layer structure, it is possible to use a printhead with a three-dimensional spiral ring and several pressure cells for ejection of liquefied material. It will the ring axis of the three-dimensional ring normally parallel to at least one feed channel for liquefied Material and parallel to a connected with this discharge channel arranged.

Eine Ausführungsform einer Druckzelle gemäß der Erfindung verfügt über den folgenden vierschichtigen Aufbau:

  • a) Eine erste Schicht verfügt über eine Schicht aus einem isolierenden Material um ein Verbindungsgebiet aus einem elektrisch leitenden Material herum, das dazu geeignet ist, zwischen zwei benachbarten Schichten einen elektrischen Strom zu leiten. Die Schicht verfügt ferner über eine Durchgangsöffnung, die im Isoliermaterial ausgebildet ist und Teil eines Zuführkanals ist, der auszustoßendes Material von einem Materialvorrat an einen in einer benachbarten Schicht angeordneten Ausstoßkanal liefern kann.
  • b) Eine zweite Schicht mit ebenfalls einer Durchgangsöffnung für verflüssigtes Material, die Teil des Zuführkanals ist. Die Durchgangsöffnung ist normalerweise im Isoliermaterial angeordnet, und sie ist zur Durchgangsöffnung der ersten Schicht ausgerichtet. In der zweiten Schicht ist die Durchgangsöffnung mit einem Ausstoßkanal im Isoliermaterial verbunden, das mit einer ersten und einer zweiten Querelektrode verbunden ist, die zueinander ausgerichtet sind und im Wesentlichen orthogonal zum Aus stoßkanal angeordnet sind. Die zweite Schicht verfügt ferner über ein Verbindungsgebiet aus einem elektrisch leitenden Material, das das Verbindungsgebiet der ersten Schicht mit einem weiteren Verbindungsgebiet einer dritten Schicht elektrisch verbindet. Das Verbindungsgebiet ist zumindest teilweise durch Isoliermaterial umgeben.
  • c) Eine dritte Schicht entspricht im Wesentlichen dahingehend der ersten Schicht, dass sie ebenfalls über eine im Isoliermaterial angeordnete Durchgangsöffnung für verflüssigtes Material verfügt. Eine Verbindung aus elektrischem Material ist so angeordnet, dass sie an einer Zusammenbauposition der Vorrichtung elektrisch mit dem Verbindungsgebiet der zweiten Schicht und einem Ringgebiet der vierten Schicht verbunden ist.
  • d) Eine vierte Schicht verfügt über ein Gebiet aus Isoliermaterial mit einer Durchgangsöffnung, die mit denen der anderen Schichten ausgerichtet ist. Die vierte Schicht verfügt ferner über ein Ringgebiet aus einem elektrisch leitenden Material in gebogener, falls geeignet, rechteckiger Form. In der zusammengebauten Vorrichtung ist das Ringgebiet elektrisch mit den Verbindungsgebieten benachbarter Schichten verbunden.
An embodiment of a pressure cell according to the invention has the following four layered construction:
  • a) A first layer has a layer of an insulating material around a connection region of an electrically conductive material, which is adapted to conduct an electric current between two adjacent layers. The layer also has a through hole formed in the insulating material and forming part of a feed channel capable of delivering material to be ejected from a supply of material to an ejection channel located in an adjacent layer.
  • b) A second layer also having a through hole for liquefied material which is part of the feed channel. The through hole is normally disposed in the insulating material and is aligned with the through hole of the first layer. In the second layer, the through-hole is connected to an ejection channel in the insulating material, which is connected to a first and a second transverse electrode, which are aligned with each other and arranged substantially orthogonal to the push channel. The second layer further includes a connection region of an electrically conductive material that electrically connects the connection region of the first layer to another connection region of a third layer. The connection area is at least partially surrounded by insulating material.
  • c) A third layer substantially corresponds to the first layer in that it also has a through hole for liquefied material arranged in the insulating material. A compound of electrical material is arranged so as to be electrically connected to the connection region of the second layer and a ring region of the fourth layer at an assembling position of the device.
  • d) A fourth layer has an area of insulating material with a through hole aligned with that of the other layers. The fourth layer also has a ring region of an electrically conductive material in a bent, if appropriate, rectangular shape. In the assembled device, the ring region is electrically connected to the connection regions of adjacent layers.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform verfügen die Schichten einer Druckzelle über eine typische Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verfügt der Wendelring über einen typischen Querschnitt im Bereich von 0,5 bis 5 mm2. Jedoch können abhängig vom Anwendungsgebiet andere Abmessungen geeignet sein.In a preferred embodiment, the layers of a pressure cell have a typical thickness in the range of 0.1 mm to 1 mm. In a preferred embodiment, the helical ring has a typical cross section in the range of 0.5 to 5 mm 2 . However, other dimensions may be appropriate depending on the field of application.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines zusammengebauten Druckkopfs bilden, wenn die mehreren Druckzellen aufeinandergelegt sind, das Ringgebiet der letzten (der vierten) Schicht und die Verbindungsgebiete der anderen Schicht einen elektrischen Ring mit einer im Wesentlichen wendelförmig gekrümmten Form, wo bei die Achse des Rings im Wesentlichen orthogonal zu den Elektroden und dem Ausstoßkanal angeordnet ist und durch das Zentrum des Gebiets zwischen den Elektroden verläuft. Wenn der elektrische Ring mit einem Strom ausreichender Stärke versorgt wird, errichtet ein Magnetfeld im Wesentlichen orthogonal zu den Ausstoßkanälen und den Elektroden der Druckzellen. Durch Abwärme des elektrischen Rings und/oder ein zusätzliches Heizelement wird im Zuführkanal und im Ausstoßkanal vorhandenes Metall in flüssigem Zustand gehalten, so dass es durch den mindestens einen Ausstoßkanal ausgestoßen werden kann. Die Einzelschichten einer Druckzelle können über dieselbe oder verschiedene Dicken verfügen. Falls zweckdienlich, können weitere Schichten vorgesehen sein, um zusätzliche Funktionen hinzuzufügen.at a preferred embodiment of an assembled Printhead form when the multiple pressure cells stacked are, the ring area of the last (fourth) layer and the connection areas the other layer is an electrical ring with a substantially helical curved shape, where at the axis of the ring substantially orthogonal to the electrodes and the ejection channel is located and through the center of the area between the electrodes runs. When the electric ring with a current sufficient Strength is essentially building a magnetic field orthogonal to the ejection channels and the electrodes the pressure cells. By waste heat of the electric ring and / or An additional heating element is in the feed channel and in the discharge channel existing metal in liquid Condition held so that it passes through the at least one discharge channel can be ejected. The individual layers of a pressure cell can have the same or different thicknesses feature. If appropriate, more can Layers may be provided to add additional features.

Eine bevorzugte Druckzelle gemäß der Erfindung verfügt über mindestens einen Zuführkanal, der mit mindestens einem Ausstoßkanal verbunden ist, der im Wesentlichen orthogonal zum Durchlasskanal angeordnet ist. Der mindestens eine Ausstoßkanal ist mit einer ersten und einer zweiten Elektrode verbunden. Der Durchlasskanal kann sich im Inneren eines elektrischen Wendelrings, oder außerhalb desselben, befinden, der dazu geeignet ist, ein Magnetfeld im Wesentlichen orthogonal zum Ausstoßkanal und den Elektroden zu errichten. Falls zweckdienlich, wird der Zuführkanal unter Druck gesetzt, beispielsweise durch Gasdruck, um das Material in der Richtung des Ausstoßkanals wegzudrücken. Bei bestimmten Ausführungsformen verfügt der Ausstoßkanal über ein Ventil, beispielsweise in Form eines Querschiebers, um die Form und die Öffnung des Ausstoßkanals zu kontrollieren oder um ihn vollständig zu schließen.A preferred pressure cell according to the invention has at least one feed channel having at least one Output channel is connected, which is substantially orthogonal is arranged to the passageway. The at least one ejection channel is connected to a first and a second electrode. The passageway can be inside an electric helical ring, or outside the same, which is capable of a magnetic field substantially orthogonal to the discharge channel and the electrodes. If appropriate, the feed channel is pressurized, for example, by gas pressure to move the material in the direction of Push away ejection channel. In certain embodiments the discharge channel has a valve, for example in the form of a cross slide, around the mold and the opening of the ejection channel or to completely control it close.

Um dazu in der Lage zu sein, eine Druckzelle mit kleinen Abmessungen aufzubauen, wird ein einfaches Design verwendet. Alle Merkmale sind auf solche Weise konzipiert, dass sie unter Verwendung eines Schichtherstellverfahrens hergestellt werden können. Auf diese Weise kann eine einzelne Druckzelle aus vier ver schiedenen Schichten aufgebaut werden, wie oben beschrieben. Eine Ausstoßschicht verfügt über den Ausstoßkanal und die zwei Elektroden. Zwei Abstandsschichten (siehe die obigen Punkte a) und c)) bilden Isolierwände der Kanäle für flüssiges Metall. Das Magnetfeld wird durch einen in die Schichten eingebauten Ring erzeugt. Allen Schichten ist ein Durchgangskanal gemeinsam, der mit einem Vorrat an flüssigem Material verbunden ist. Wenn die Schichten 1 bis 4 aufeinandergeschichtet sind, bilden sie eine Druckzelle.Around to be able to create a pressure cell with small dimensions a simple design is used. All features are designed in such a way that they are made using a layer manufacturing process can be produced. That way, a single one Pressure cell can be built from four different layers, such as described above. An ejection layer has the ejection channel and the two electrodes. Two spacers (See the above points a) and c)) form insulating walls the channels for liquid metal. The Magnetic field is generated by a built-in layers in the ring. All layers have a through channel in common with one Stock is connected to liquid material. When the layers 1 to 4 are stacked together, they form a pressure cell.

Es kann eine beliebige Anzahl von Druckzellen aufgeschichtet werden, um einen Druckkopf aufzubauen. In einem Druckkopf kann jede Zelle individuell dadurch aktiviert werden, dass ein Strom durch die Elektroden geschickt wird. Die Ringe der einzelnen Druckzellen sind miteinander verbunden, um eine Einzelwicklung mit mehreren Windungen zu bilden.It Any number of pressure cells can be stacked, to build a printhead. In a printhead, every cell can individually activated by a current through the electrodes is sent. The rings of the individual pressure cells are interconnected connected to form a single winding with multiple windings.

Ein Druckkopf kann über mehr als einen Ring verfügen, um spezielle Magnetfelder oder spezielle Effekte zu erzielen, um mehrere Materialien gleichzeitig auszustoßen. Die Ringe sind normalerweise parallel zueinander oder benachbart zueinander angeordnet. Wie oben angegeben, kann der Druckkopf über einen oder mehrere Ausstoßkanäle verfügen, die im Wesentlichen parallel zueinander und zur Ringachse des einen oder der mehreren Ringe angeordnet sind. Die Ausstoßkanäle können im selben oder in verschiedenen Ringen angeordnet sein, die für jeden Zuführkanal und den damit verbundenen Ausstoßkanal ein individuelles Feld erzeugen. Jeder Zuführkanal ist mit einer Reihe von Ausstoßkanälen verbunden, die benachbart zueinander oder in einem Array angeordnet sind. Ein Druckkopf mit mehr als einem Zuführkanal bietet die Gelegenheit, gleichzeitig verschiedene Materialien aus einem Druckkopf auszustoßen.One Printhead can have more than one ring, to achieve special magnetic fields or special effects to eject several materials at the same time. The Rings are usually parallel to each other or adjacent to each other arranged. As stated above, the printhead can over have one or more ejection channels that essentially parallel to one another and to the ring axis of the one or the plurality of rings are arranged. The ejection channels can be arranged in the same or in different rings be that for each feed channel and the so connected discharge channel create an individual field. Each feed channel is connected to a series of ejection channels, which are arranged adjacent to each other or in an array. One Printhead with more than one feed channel provides the opportunity simultaneously eject different materials from a printhead.

Der Druckkopf kann dazu verwendet werden, ein flüssiges Metall auf ein Pulverbett auszustoßen (aufzudrucken). Der Bereich der Pulverbettfläche erfährt, wenn flüssiges Metall auf ihn gedruckt wird, eine Verbindung durch dieses flüssige Metall, wodurch eine vollständig dichte, massive Metallschicht gebildet wird. Nachdem eine neue Pulverschicht auf die vorige aufgesprüht wurde, kann das Aufdrucken der nächsten Schicht beginnen. Durch dieses Verfahren kann ein massives Freeform-Metallteil hergestellt werden. Loses Pulver verbleibt als Trägerstruktur am Ort und wird entfernt, nachdem das Teil aufgebaut ist.Of the Printhead can be used to make a liquid metal to eject (print) onto a powder bed. The area the powder bed surface experiences when liquid Metal is printed on it, connecting through this liquid Metal, creating a completely dense, solid metal layer is formed. After a new layer of powder sprayed on the previous one printing, the next layer may begin printing. By this method, a solid freeform metal part can be produced become. Loose powder remains as a support structure in place and will be removed after the part is set up.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuerungseinheit zum Steuern des Ausstoßens von Material durch einen Druckkopf gemäß der Erfindung ist so aufgebaut, dass der Strom und die Spannung, wie sie den Elektroden und/oder dem Ring zugeführt werden, synchron steuerbar sind, so dass das Ausstoßen der Materialtröpfchen genau eingestellt werden kann.A preferred embodiment of a control unit for Controlling the ejection of material by a printhead According to the invention is constructed so that the Current and the voltage, as the electrodes and / or the ring be fed, synchronously controllable, so that the Ejecting the material droplets accurately adjusted can be.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die hier beschriebene Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die nicht so auszulegen sind, dass sie in den beigefügten Ansprüchen angegebene Erfindung einschränken würden, vollständiger verständlich werden.The The invention described herein will become more detailed from the following Description and the attached drawings that are not are to be construed as indicated in the appended claims limited invention, more complete be understood.

1 zeigt den Aufbau einer ersten Druckzelle und eines ersten Druckkopfs; 1 shows the construction of a first pressure cell and a first printhead;

2 zeigt das Innere eines Druckkopfs gemäß der 1 ohne Isoliermaterial; 2 shows the interior of a printhead according to the 1 without insulating material;

3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Druckkopfs als perspektivische Ansicht; 3 shows a second embodiment of a printhead as a perspective view;

4 zeigt den Druckkopf der 3 ohne Außengehäuse. 4 shows the printhead the 3 without outer housing.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION PREFERRED EMBODIMENTS

Ein besseres Verständnis der Erfindung wird durch die vorliegende detaillierte Beschreibung erhalten, die, wenn sie in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen studiert wird, bevorzugte Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindungen darlegt. Es ist zu beachten, dass entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren allgemein mit entsprechenden Bezugszahlen gekennzeichnet sind.One a better understanding of the invention is achieved by the present invention get detailed description that when related with the accompanying drawings is preferred Embodiments of the invention described herein sets forth. It should be noted that corresponding elements in different Figures generally marked with corresponding reference numerals are.

Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Druckkopfs 1, einer Druckzelle 2 und mehrerer Schichten einer Druckzelle 2 in perspektivischer Ansicht. Der Druckkopf 1 besteht aus mehreren Druckzellen 2, die in der Querrichtung ausgerichtet sind und funktionsmäßig miteinander verbunden sind. Eine Druckzelle 2 gemäß der beschriebenen Ausführungsform verfügt über im Wesentlichen vier Schichten 3, 4, 5, 6 mit als Gehäuse wirkenden Gebieten 7 aus Isoliermaterial und Gebieten 8, 14, 15, 16 aus leitendem Material.The 1 shows a first embodiment of a printhead 1 , a pressure cell 2 and several layers of a pressure cell 2 in perspective view. The printhead 1 consists of several pressure cells 2 which are aligned in the transverse direction and are operatively connected to each other. A pressure cell 2 according to the described embodiment has substantially four layers 3 . 4 . 5 . 6 with acting as a housing areas 7 made of insulating material and areas 8th . 14 . 15 . 16 made of conductive material.

Eine erste Schicht 3 verfügt über ein Gebiet aus Isoliermaterial 7 um ein Verbindungsgebiet 8 aus elektrisch leitendem Material herum, das dazu geeignet ist, zwischen zwei benachbarten Schichten 4, 6 einen elektrischen Strom zu leiten. Die erste Schicht verfügt ferner über eine Durchgangsöffnung 9, die im Isoliermaterial angeordnet ist und Teil eines Zuführkanals 10 ist (im Wesentlichen die x-Richtung), der dazu geeignet ist, auszustoßendes Material aus einem Materialvorrat (siehe die 2) an einen in einer Nachbarschicht 4 angeordneten Ausstoßkanal 11 zu liefern.A first shift 3 has an area of insulating material 7 around a connection area 8th of electrically conductive material suitable for between two adjacent layers 4 . 6 to conduct an electric current. The first layer also has a passage opening 9 , which is arranged in the insulating material and part of a feed channel 10 is (essentially the x-direction) suitable for ejecting material from a supply of material (see US Pat 2 ) to one in a neighboring layer 4 arranged discharge channel 11 to deliver.

Eine zweite Schicht 4 verfügt ebenfalls über eine Durchgangsöffnung 9 für verflüssigtes Material, die Teil des Zuführkanals 10 ist. Die Durchgangsöffnung 9 ist normalerweise in einem Gebiet aus Isoliermaterial 7 angeordnet, und sie ist zur Durchgangsöffnung 9 der ersten Schicht 3 ausgerichtet. In der zweiten Schicht 4 ist die Durchgangsöffnung 9 mit einem Ausstoßkanal 11 in der Isoliermaterial 7 verbunden, das mit einer ersten und einer zweiten Querelektrode 12, 13 verbunden ist, die in der y-Richtung angeordnet und zueinander ausgerichtet sind. Wie es erkennbar ist, sind die Elektroden 12, 13 im Wesentlichen orthogonal zum Ausstoßkanal 11 angeordnet, der im Wesentlichen in der z-Richtung verläuft. Die zweite Schicht 4 verfügt ferner über ein Verbindungsgebiet 14 aus einem leitenden Material, das das Verbindungsgebiet 8 der ersten Schicht mit einem weiteren Verbindungsgebiet 15 der dritten Schicht 5 elektrisch verbindet. Wie es erkennbar ist, verfügt die zweite Schicht 4 bei der dargestellten Ausführungsform über ein Ventil in Form eines Querschiebers 27. Der Schieber 27 erlaubt eine Modifizierung des Querschnitts oder ein vollständiges Schließen des Ausstoßkanals, wenn er in diesen hinein oder aus ihm heraus bewegt wird. Die zweite Schicht 4 verfügt hier ferner über einen Entspannungskanal 26, der den Ausstoßkanal 11 mit der Außenseite verbindet. Durch den Entspannungskanal 26 kann Gas in den Ausstoßkanal 11 gesaugt werden, wenn das verflüssigte Material beschleunigt wird. So kann eine Trennung der Flüssigkeit zwischen den Elektroden und der zugeführten Flüssigkeit bewerkstelligt werden, was dazu führt, dass nur eine kleine Masse der zu beschleunigenden Flüssigkeit beschleunigt werden muss. Nach dem Ausstoßen einer Flüssigkeitsmenge ersetzt die zugeführte Flüssigkeit erneut das angesaugte Gas, und der Ausstoßkanal wird vollständig mit dem Arbeitsmaterial gefüllt. Der Entspannungskanal bei der hier dargestellten Ausführungsform ist unter einem Winkel in Bezug auf den Ausstoßkanal 11 angeordnet, so dass ein gute Trennung des Materials erzielt wird. Es ist ersichtlich, dass, abhängig vom Anwendungsgebiet, der Querschieber 27 und der Entspannungskanal 26 in einer Druckzelle nicht vorhanden sein müssen.A second layer 4 also has a passage opening 9 for liquefied material, which is part of the feed channel 10 is. The passage opening 9 is usually in an area of insulating material 7 arranged, and it is to the passage opening 9 the first layer 3 aligned. In the second layer 4 is the passage opening 9 with a discharge channel 11 in the insulating material 7 connected to a first and a second transverse electrode 12 . 13 is connected, which are arranged in the y-direction and aligned with each other. As it recognizes bar, are the electrodes 12 . 13 essentially orthogonal to the discharge channel 11 arranged, which runs substantially in the z-direction. The second layer 4 also has a connection area 14 made of a conductive material, which is the connection area 8th the first layer with another connection area 15 the third layer 5 connects electrically. As can be seen, the second layer features 4 in the illustrated embodiment via a valve in the form of a cross slide 27 , The slider 27 allows modification of the cross-section or complete closure of the ejection channel as it is moved into or out of it. The second layer 4 here also has a relaxation channel 26 that the discharge channel 11 connects with the outside. Through the relaxation channel 26 can gas in the exhaust duct 11 be sucked when the liquefied material is accelerated. Thus, a separation of the liquid between the electrodes and the supplied liquid can be accomplished, which means that only a small mass of the liquid to be accelerated must be accelerated. After discharging a liquid amount, the supplied liquid replaces the sucked gas again, and the discharge channel is completely filled with the working material. The expansion channel in the embodiment shown here is at an angle with respect to the discharge channel 11 arranged so that a good separation of the material is achieved. It can be seen that, depending on the field of application, the cross slide 27 and the relaxation channel 26 need not be present in a pressure cell.

Eine dritte Schicht 5 entspricht im Wesentlichen dahingehend der ersten Schicht 3, dass sie ebenfalls über eine Durchgangsöffnung 9 für verflüssigtes Material verfügt, die durch Isoliermaterial 7 umgeben ist. Das Verbindungsgebiet 15 aus elektrisch leitendem Material ist so angeordnet, dass es in der zusammengebauten Position der Vorrichtung elektrisch mit dem Verbindungsgebiet 14 der zweiten Schicht und einem Ringgebiet 16 der vierten Schicht 6 verbunden ist.A third layer 5 essentially corresponds to the first layer 3 in that they also have a passage opening 9 For liquefied material features by insulating material 7 is surrounded. The connection area 15 of electrically conductive material is arranged to be electrically connected to the connection region in the assembled position of the device 14 the second layer and a ring area 16 the fourth layer 6 connected is.

Die vierte Schicht 6 verfügt über ein Gebiet aus Isoliermaterial 7 um eine Durchgangsöffnung 9 herum, die mit denjenigen der anderen Schichten ausgerichtet ist (die Ausrichtung ist durch gestrichelte Linien dargestellt). Die vierte Schicht verfügt ferner über ein Ringgebiet 16 aus elektrisch leitendem Material. Das Ringgebiet 16 verfügt in der Schichtebene über im Wesentlichen Bogenform, die die Durchgangsöffnung 9 mit einem bestimmten Abstand umgibt.The fourth shift 6 has an area of insulating material 7 around a passage opening 9 aligned with those of the other layers (the alignment is shown by dashed lines). The fourth layer also has a ring area 16 made of electrically conductive material. The ring area 16 has in the layer plane over substantially arched shape, which the passage opening 9 surrounds with a certain distance.

Die 2 zeigt einen zusammengebauten Druckkopf 1, wobei das als Gehäuse wirkende Isoliermaterial 7 (siehe die 1) Gebiete 8, 14, 15, 16 aus leitendem Material hält, wobei es den Zuführkanal 10 bildet. Dadurch ist es möglich, den dreidimensionalen Wendelring 17 zu erkennen, der durch die elektrische Wechselwirkung der Verbindungsgebiete 8, 14, 15 und die im Wesentlichen kreisförmigen Ringgebiete 16 gebildet ist. Innerhalb des Rings 17 ist verflüssigtes Material 18 schematisch so erkennbar, wie es im Zuführkanal 10 und im Ausstoßkanal 11 (siehe die 1) untergebracht ist. Das Ausstoßen des Materials 18 wird durch die quer zu jedem Ausstoßkanal 11 angeordneten Elektroden 12, 13 kontrolliert. Der Zuführkanal 10 ist mit einem Materialzuführvorrat 19 verbunden, in dem durch den Druckkopf 1 auszustoßendes Material vorhanden ist. Während des Betriebs wird das auszustoßende Material 18 – durch Erwärmen zumindest im Zuführkanal 10 – auf einer Temperatur über dem Schmelzpunkt gehalten.The 2 shows an assembled printhead 1 , wherein the insulating material acting as a housing 7 (see the 1 ) Areas 8th . 14 . 15 . 16 made of conductive material, it being the feed channel 10 forms. This makes it possible to use the three-dimensional spiral ring 17 to be recognized by the electrical interaction of the connection areas 8th . 14 . 15 and the substantially circular ring areas 16 is formed. Inside the ring 17 is liquefied material 18 schematically as recognizable as it is in the feed 10 and in the discharge channel 11 (see the 1 ) is housed. Ejecting the material 18 is through the across to each discharge channel 11 arranged electrodes 12 . 13 controlled. The feed channel 10 is with a material feed stock 19 connected by the printhead 1 material to be ejected is present. During operation, the material to be ejected becomes 18 - By heating at least in the feed 10 - held at a temperature above the melting point.

Während des Betriebs wird eine Spannung von einer ersten Spannungsversorgung 20 an den Ring 17 geliefert, so dass durch diesen ein Strom fließt. Dadurch wird ein Magnetfeld erzeugt, das durch einen Pfeil B (x-Richtung) schematisch dargestellt ist. Der Ring 17 und die Spannungsversorgung 20 können so konzipiert sein, dass der Ring 17 ausreichend Abwärme erzeugt, um das auszustoßende Material 18 im Zuführkanal 10 und in den Ausstoßkanälen 11 in verflüssigtem Zustand zu halten. Das Ausstoßen des Materials 18 durch die Ausstoßkanäle 11 wird durch die Elektroden 12, 13 dadurch gesteuert, dass eine Spannung einer zweiten Spannungsversorgung 21 an jede derselben durch einen Schalter 22 gelegt wird (hier ist nur die Verbindung mit den ersten zwei Elektroden dargestellt – alle anderen Elektroden werden auf ähnliche Weise aktiviert). Durch Schließen des Schalters 22 fließen elektrische Ladungen durch die Elektroden 12, 13 und das zwischen diesen vorhandene verflüssigte Material, wie es durch einen Pfeil Q (y-Richtung) schematisch dargestellt ist. Dadurch wirkt eine Kraft F auf das im Wirkungsbereich der Elektroden 12, 13 vorhandene Material, was zu einem Ausstoßen einer genauen Materialmenge aus dem Ausstoßkanal 11 führt. Das Ausstoßen von Materialtröpfchen 23 ist auf vereinfachte Weise demonstriert. Die Menge und die Geschwindigkeit des ausgestoßenen Materials hängen hauptsächlich von den Spannungen der ersten und der zweiten Spannungsversorgung 20, 21, der Länge des zugeführten Impulses sowie der Menge der bewegten Ladungen ab, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 12, 13 ausgetauscht werden. Weitere Parameter sind durch die Form des den Elektroden 12, 13 zugeführten Impulses gegeben. Alternativ oder zusätzlich kann das Ausstoßen des Materials 18 durch die Form der Spannung der ersten Spannungsversorgung 20 gesteuert werden.During operation, a voltage from a first power supply 20 to the ring 17 supplied so that flows through this a current. As a result, a magnetic field is generated, which is schematically represented by an arrow B (x-direction). The ring 17 and the power supply 20 can be designed so that the ring 17 generates enough waste heat to the ejected material 18 in the feed channel 10 and in the ejection channels 11 to keep in liquefied state. Ejecting the material 18 through the ejection channels 11 is through the electrodes 12 . 13 controlled by a voltage of a second power supply 21 to each of them by a switch 22 (only the connection with the first two electrodes is shown here - all other electrodes are activated in a similar way). By closing the switch 22 electric charges flow through the electrodes 12 . 13 and the liquefied material present therebetween, as schematically represented by an arrow Q (y-direction). As a result, a force F acts on the area of action of the electrodes 12 . 13 existing material, resulting in a discharge of a precise amount of material from the discharge channel 11 leads. The ejection of material droplets 23 is demonstrated in a simplified way. The amount and speed of the ejected material depend mainly on the voltages of the first and second power supplies 20 . 21 , the length of the supplied pulse and the amount of the moved charges between the first and second electrodes 12 . 13 be replaced. Other parameters are due to the shape of the electrodes 12 . 13 supplied pulse. Alternatively or additionally, the ejection of the material 18 by the shape of the voltage of the first power supply 20 to be controlled.

Die 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Druckkopfs 1 auf zusammengebaute Weise. Die 3 zeigt den Druckkopf 1 als perspektivische Ansicht von unten mit einem Gehäuse, und die 4 zeigt denselben Druckkopf 1 als zweite perspektivische Ansicht von unten ohne Gehäuse (ohne die Schichten aus Isoliermaterial 7).The 3 and 4 show a further embodiment of a printhead 1 on together built way. The 3 shows the printhead 1 as a perspective view from below with a housing, and the 4 shows the same printhead 1 as a second perspective view from below without housing (without the layers of insulating material 7 ).

Die dargestellte Ausführungsform verfügt ferner über eine Ausstoßdüse 25, die am Ende jedes Ausstoßkanals 11 angeordnet ist und dazu dient, Tröpfchen genauer Form auszubilden. Die Ausstoßdüsen 25 bestehen aus einem Material, das selbst bei Temperaturen über der Schmelztemperatur der auszustoßenden Materialien thermisch stabil ist. Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 und 2 sind die Ringgebiete 16 bei dieser Ausführungsform im Wesentlichen rechteckförmig, wodurch sich im Gebiet, in dem die Elektroden angeordnet sind, ein "längerer" Magneteffekt ergibt.The illustrated embodiment also has an ejection nozzle 25 at the end of each ejection channel 11 is arranged and serves to form droplets of accurate shape. The ejection nozzles 25 consist of a material that is thermally stable even at temperatures above the melting temperature of the materials to be ejected. In contrast to the embodiment of 1 and 2 are the ring areas 16 in this embodiment is substantially rectangular, resulting in a "longer" magnetic effect in the area in which the electrodes are arranged.

Zusammenfassung:Summary:

Die Erfindung ist auf einen Druckkopf zum Ausstoßen elektrisch leitender Flüssigkeiten bei hohen Temperaturen, insbesondere geschmolzenen Metallen, gerichtet. Das Betriebsprinzip beruht auf magnetohydrodynamischem Pumpen, wobei ein Magnetfeld und ein elektrisches Feld angelegt werden. Der Druckkopf verfügt über einen Wendelring zum Erzeugen eines Magnetfelds sowie mindestens einen parallel zur Ringachse angeordneten Zuführkanal. Ausstoßkanäle sind mit mindestens einem Zuführkanal verbunden, und sie sind orthogonal zu diesem und zur Ringachse angeordnet. Jeder Ausstoßkanal verfügt über zwei zueinander ausgerichtete Elektroden orthogonal zur Ringachse und zu ihm. Um eine spezifizierte Menge an verflüssigtem Material durch den Ausstoßkanal auszustoßen, wird eine erste Spannung an den Ring gelegt, um ein Magnetfeld zu erzeugen, und eine zweite Spannung wird an die Elektroden gelegt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verfügt der Druckkopf über einen Schichtaufbau.The Invention is electrical to a printhead for ejecting conductive liquids at high temperatures, in particular molten metals, addressed. The operating principle is based on magnetohydrodynamic Pumping, applying a magnetic field and an electric field become. The printhead has a spiral ring for generating a magnetic field and at least one parallel to the Ring axis arranged feed channel. discharging passages are connected to at least one feed channel, and they are arranged orthogonal to this and to the ring axis. Each discharge channel has two aligned electrodes orthogonal to the ring axis and to it. To a specified amount of liquefied material through the discharge channel eject a first voltage is applied to the ring to generate a magnetic field, and a second voltage is applied put the electrodes. In a preferred embodiment the print head has a layer structure.

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Claims (28)

Druckkopf zum Ausstoßen einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, mit mindestens einem Wendelring mit einer Ringachse, mindestens einem im Wesentlichen parallel zur Ringachse angeordneten Zuführkanal sowie mindestens einem Ausstoßkanal, der im Wesentlichen orthogonal zur Ringachse angeordnet ist, wobei der mindestens eine Ausstoßkanal mit einer ersten und einer zweiten Elektrode verbunden ist, die zueinander ausgerichtet sind und im Wesentlichen orthogonal zur Ringachse und zum Ausstoßkanal angeordnet sind.Printhead for ejecting an electric conductive liquid, with at least one spiral ring with a ring axis, at least one substantially parallel to Ring axis arranged feed channel and at least one Ejection channel, which is substantially orthogonal to the ring axis is arranged, wherein the at least one ejection channel with a first and a second electrode is connected to each other are aligned and substantially orthogonal to the ring axis and are arranged to the discharge channel. Druckkopf nach Anspruch 1, der über eine Heizeinrichtung verfügt, um ihn auf einer bestimmten Temperatur über der Schmelztemperatur eines auszustoßenden Materials zu halten.Printhead according to claim 1, which has a Heating device has to put it at a certain temperature the melting temperature of a material to be ejected hold. Druckkopf nach Anspruch 2, bei dem die Heizeinrichtung aus mindestens einem Wendelring besteht.A printhead according to claim 2, wherein the heating means consists of at least one spiral ring. Druckkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, der über mindestens zwei Wendelringe verfügt.Printhead according to one of the preceding claims, which has at least two spiral rings. Druckkopf nach Anspruch 4, bei dem die mindestens zwei Wendelringe parallel zueinander angeordnet sind.Printhead according to claim 4, wherein the at least two spiral rings are arranged parallel to each other. Druckkopf nach Anspruch 4, bei dem die mindestens zwei Wendelringe konzentrisch zueinander angeordnet sind.Printhead according to claim 4, wherein the at least two spiral rings are arranged concentrically to each other. Druckkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, der über mindestens zwei Zuführkanäle verfügt, von denen jeder mit mindestens einem Ausstoßkanal verbunden ist.Printhead according to one of the preceding claims, the at least two feed channels each of which has at least one discharge channel connected is. Druckkopf nach Anspruch 7, bei dem mindestens zwei Zuführkanäle innerhalb desselben Wendelrings oder verschiedener Wendelringe angeordnet sind.Printhead according to claim 7, wherein at least two Feed channels within the same spiral ring or different spiral rings are arranged. Druckkopf nach Anspruch 7, bei dem mindestens ein Zuführkanal außerhalb mindestens eines Wendelrings angeordnet ist.Printhead according to claim 7, wherein at least one Feed channel outside at least one helical ring is arranged. Druckkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Ausstoßkanal eine Ausstoßdüse aufweist.Printhead according to one of the preceding claims, in the at least one ejection channel an ejection nozzle having. Druckkopf nach Anspruch 10, bei dem die Ausstoßdüse eine konvergente und/oder eine divergente Form aufweist.A printhead according to claim 10, wherein the ejection nozzle has a convergent and / or a divergent shape. Druckkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Ausstoßkanal eine Ausstoßöffnung mit rundem oder rechteckigem Querschnitt aufweist.Printhead according to one of the preceding claims, wherein the ejection channel is an ejection port having a round or rectangular cross-section. Druckkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Ausstoßkanal mit einem Entspannungskanal verbunden ist, so dass das auszustoßende Material während des Ausstoßvorgangs getrennt wird.Printhead according to one of the preceding claims, in which the ejection channel is connected to a relaxation channel is so that the material to be ejected during the ejection process is disconnected. Druckkopf nach Anspruch 13, bei dem das Material dadurch getrennt wird, dass Gas durch den Entspannungskanal strömt.A printhead according to claim 13, wherein the material is separated by gas flowing through the expansion channel. Druckkopf nach Anspruch 13 oder 14, bei dem der Entspannungskanal den Ausstoßkanal mit der Außenseite verbindet.A printhead according to claim 13 or 14, wherein the Expansion channel the discharge channel with the outside combines. Druckkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Zuführkanal unter Druck steht.Printhead according to one of the preceding claims, in which the supply channel is under pressure. Druckkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine an den Ring und/oder die Elektroden gelegte Spannung zu einer Kraft führt, die auf die auszustoßende Flüssigkeit in der Richtung entweder zur Ausstoßöffnung oder von dieser weg wirkt.Printhead according to one of the preceding claims, in which a voltage applied to the ring and / or the electrodes leads to a force on the ejected Liquid in the direction either to the ejection opening or away from it. Druckkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Ausstoßkanal ein Ventil zum Modifizieren seines Querschnitts aufweist.Printhead according to one of the preceding claims, wherein the ejection channel is a valve for modifying its Has cross section. Druckkopf nach Anspruch 18, bei dem das Ventil aus einem Querschieber besteht.The printhead of claim 18, wherein the valve is out of a cross slide exists. Druckkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, der aus miteinander verbundenen, benachbart zueinander angeordneten Druckzellen besteht, von denen jede einen Teil des Zuführkanals, einen Teil des Wendelrings und einen Ausstoßkanal aufweist.Printhead according to one of the preceding claims, the interconnected, adjacent to each other Pressure cells, each of which forms part of the feed channel, having a part of the helical ring and an ejection channel. Druckkopf nach Anspruch 20, bei dem die Druckzellen einen Schichtaufbau aus Isoliermaterial und elektrisch leitendem Material aufweisen.A printhead according to claim 20, wherein the pressure cells a layer structure of insulating material and electrically conductive Have material. Druckkopf nach Anspruch 21, bei dem die Druckzelle Folgendes aufweist: a) eine erste Schicht mit einem Gebiet aus Isoliermaterial mit einer Durchgangsöffnung und einem ersten Verbindungsgebiet aus einem elektrisch leitenden Gebiet; b) eine zweite Schicht mit einem Gebiet aus Isoliermaterial mit einer Durchgangsöffnung, die mit derjenigen der ersten Schicht ausgerichtet ist, einem Ausstoßkanal und einem zweiten Verbindungsgebiet aus elektrisch leitendem Material zum Verbinden des ersten Verbindungsgebiets der ersten Schicht mit einem dritten Verbindungsgebiet einer dritten Schicht; c) eine dritte Schicht mit einem Gebiet aus Isoliermaterial, einer Durchgangsöffnung, die mit derjenigen der zweiten Schicht ausgerichtet ist, und einem dritten Verbindungsgebiet aus elektrisch leitendem Material zum Verbinden des zweiten Verbindungsgebiets der zweiten Schicht mit einem Ringgebiet einer vierten Schicht; d) eine vierte Schicht mit einem Gebiet aus Isoliermaterial mit einer Durchgangsöffnung, die mit derjenigen der dritten Schicht ausgerichtet ist und einem Ringgebiet aus elektrisch leitendem Material zum Verbinden der dritten Verbindungsgebiet der dritten Schicht mit einem Verbindungsgebiet einer nächsten Schicht.The printhead of claim 21, wherein the pressure cell comprises: a) a first layer having an area of insulating material having a through opening and a first connection area of an electrically conductive area; b) a second layer having an area of insulating material with a through hole aligned with that of the first layer, an ejection channel and a second connection area of electrically conductive material for connecting the first connection area of the first layer to a third connection area of a third layer; c) a third layer having an area of insulating material, a through-hole aligned with that of the second layer, and a third a connection region of electrically conductive material for connecting the second connection region of the second layer to a ring region of a fourth layer; d) a fourth layer having an area of insulating material with a through hole aligned with that of the third layer and a ring area of electrically conductive material for connecting the third connection area of the third layer to a connection area of a next layer. Druckkopf nach einem der Ansprüche 21 oder 22, bei dem die Schichten durch Sintern miteinander verbunden sind.A printhead according to any one of claims 21 or 22, in which the layers are interconnected by sintering. Druckkopf nach einem der Ansprüche 21 oder 22, bei dem das Isoliermaterial aus der Gruppe von Keramiken besteht und das elektrisch leitende Material aus der Gruppe von Wolfram und Tantal besteht.A printhead according to any one of claims 21 or 22, in which the insulating material consists of the group of ceramics and the electrically conductive material from the group of tungsten and tantalum exists. Druckkopf nach Anspruch 22, bei dem das Ringgebiet bogenförmig ist.A printhead according to claim 22, wherein the annulus area is arcuate. Druckkopf nach Anspruch 22, bei dem das Ringgebiet rechteckförmig ist.A printhead according to claim 22, wherein the annulus area is rectangular. Druckkopf nach einem der Ansprüche 23 bis 26, bei dem jeder Ausstoßkanal eine Ausstoßdüse zum Ausstoßen von Material aufweist.Printhead according to one of claims 23 to 26, in which each ejection channel is an ejection nozzle for Ejecting material has. Druckkopf nach Anspruch 27, bei dem das Material der Düse aus Saphir besteht.A printhead according to claim 27, wherein the material the nozzle is made of sapphire.
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