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.
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.
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1997 von Davon Gore eingereichte Dokument
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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.
- 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.
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
Eine
erste Schicht
Eine
zweite Schicht
Eine
dritte Schicht
Die
vierte Schicht
Die
Während
des Betriebs wird eine Spannung von einer ersten Spannungsversorgung
Die
Die
dargestellte Ausführungsform verfügt ferner über
eine Ausstoßdüse
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |
Effective date: 20121002 |