WO2017050592A1 - Printhead for 3d printing of metals - Google Patents

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WO2017050592A1
WO2017050592A1 PCT/EP2016/071289 EP2016071289W WO2017050592A1 WO 2017050592 A1 WO2017050592 A1 WO 2017050592A1 EP 2016071289 W EP2016071289 W EP 2016071289W WO 2017050592 A1 WO2017050592 A1 WO 2017050592A1
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metal
reservoir
liquid phase
printhead
punch
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PCT/EP2016/071289
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Peter Voehringer
Sebastian Herbster
Udo Riegler
Robert Giezendanner-Thoben
Weidong Qi
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a printhead for a 3D printer suitable for printing metals and to methods of operation.
  • a 3D printer for a thermoplastic material obtains a solid phase of this material as a starting material, generates a liquid phase therefrom, and selectively deposits this liquid phase at the locations associated with the object to be formed.
  • Such a 3D printer includes a printhead into which the source material is melted.
  • means are provided for generating a relative movement between the print head and the work surface on which the object is to be formed. In this case, either only the print head, only the work surface or both the print head and the work surface can be moved.
  • the printhead has a first mode of operation in which liquid material exits therefrom and a second mode of operation in which no liquid material exits therefrom.
  • the second operating state is assumed, for example, when a different position is approached on the work surface and no material is to be deposited on the way there. For example, between the two operating states of the print head
  • thermoplastics metals have a much higher melting point and at the same time in the liquid state a significant lower viscosity.
  • One research approach to solving the problem of adding liquid metal to the object at defined locations is pneumatic drop-on-demand technology. This technique is described, for example, in (Han-Song Zuo, He-jun Li, Le-juaqi, Jun Luo, Song-yi Zhong, Hai-peng Li, "Effect on Wetting Behavior on-demand technique ", Journal of Materials Processing Technology 214, 2566-2575 (2014).)
  • the metallic starting material is melted by induction heating in a reservoir having an open nozzle at its lower end, around a drop of liquid metal to drive out of this nozzle, the reservoir is supplied by supplying an inert gas with a pressure pulse.
  • a print head for a 3D printer has been developed.
  • This printhead includes a reservoir for a metal.
  • the reservoir has an exit opening for the ejection of drops of a liquid phase of the metal.
  • the reservoir is supported by a displaceable
  • Stamp limited, so that by a displacement of the punch in the direction of the liquid phase of the metal, the liquid phase of the metal can be excited to pass through the outlet opening.
  • thermoplastic materials For example, be retrofitted into an existing 3D printer, the originally intended for the processing of thermoplastic materials.
  • a 3D printer can be used by replacing or changing the printhead either for thermoplastic or for metallic materials.
  • the liquid phase of the metal exits the discharge opening at the exact moment when the total effective pressure from within the reservoir on the liquid phase of the metal is greater than the counterpressure acting outside the discharge opening.
  • pressure can be introduced via the supply of the metal in solid or liquid form.
  • a solid phase of the metal is introduced into the print head with a mechanical force and fused in the print head, the mechanical force is translated directly to a pressure in the liquid phase of the metal.
  • this can be modulated by the displacement of the stamp, a second pressure component. This modulation can be very fast, so that in rapid succession, a plurality of drops of the liquid phase of the metal can be generated.
  • a piezoelectric actuator is provided for displacement of the punch.
  • Such an actuator reacts very quickly to an electrical control with a change in length. He can exert a large force of up to several 100 Newton. The maximum stroke is typically in the order of 50 ⁇ .
  • a piezoelectric actuator for example, a common actuator in diesel injection systems can be misappropriated.
  • the stamp is made of a thermally insulating material having a thermal conductivity of 3 W / (mK) or less. This material may in particular be a ceramic.
  • the liquid phase of the metal has
  • piezoelectric actuator is shielded as a rule. For example, if the stamp is 7 mm thick, it cools down to 125 ° C over an air-cooled length of 5 cm. Active cooling along the punch can shorten that length.
  • the reservoir is tubular with two ends. At its first end, the reservoir for supplying the metal is formed. At its second end it is closed by the stamp. The exit opening is then between the first end and the second end.
  • An internal pressure in the liquid phase of the metal in the reservoir, which expels drops of the liquid phase of the metal from the outlet opening, can then be particularly easily by the
  • the reservoir in another particularly advantageous embodiment of the invention, in which the reservoir is also tubular with two ends and is formed at its first end for supplying the metal, the reservoir may be formed at its second end as an outlet opening. The reservoir is then no longer closed at this end by the stamp. Instead, the reservoir in this embodiment, in its lateral surface on an additional opening through which the punch is guided. If the printhead is oriented in operation so that the second end of the reservoir at the same time represents the lowest point of the reservoir, the tendency of the.
  • Outlet opening passing through the liquid phase of the metal amplified finally to be released from the reservoir The tendency to instead wet the outer wall of the reservoir is reduced.
  • Reservoir formed at its first end for supplying a solid phase of the metal.
  • a heater effective for the solid phase of the metal is provided to produce the liquid phase of the metal.
  • the liquid phase of the metal is then first formed within the reservoir. It is enclosed between the punch and the supplied solid phase of the metal, so that the internal pressure can be optimally generated by the interaction of the feed with the stamp.
  • the heater is an induction heater with at least two mutually separately controllable circuits.
  • the metal can be gradually heated between the place where it enters the printhead and the place where it enters the liquid phase.
  • it can be liquefied only shortly before the region of the reservoir in which the outlet opening is arranged.
  • the temperature gradient in the inner wall of the reservoir can be reduced.
  • Such a temperature gradient can be particularly strong in a ceramic reservoir strong mechanical
  • the inner diameter of the reservoir increases monotonically between its first end and its second end.
  • the punch can have a larger diameter and displace more volume of the liquid phase of the metal per unit stroke. The more volume the punch can displace, the bigger it is Total volume of drops, the total per unit time from the
  • Outlet opening can be ejected.
  • the solid phase of the metal may for example be supplied in the form of a wire.
  • the diameter of the wire may for example be in the range between 1 mm and 5 mm.
  • the wire is there preferably close to the inner circumference of the reservoir with a game of typically 50 ⁇ or less.
  • the stamp may for example have a diameter between 7 mm and 12 mm.
  • the punch has a diameter of 8 mm, it displaces a volume of 2.5 mm 3 at a stroke of 50 ⁇ m.
  • each of these drops has a volume of 0.029 mm 3 .
  • a single stroke of the punch of 50 ⁇ can then release up to 86 of these drops.
  • the essential function of the stamper is to effect the ejection of drops from the liquid phase of the metal by modulating the pressure in the reservoir.
  • the source of material for these drops is still the feeder.
  • Exit mass flow by released from the outlet opening drops plus the leakage between the outer periphery of the punch and the inner circumference of the reservoir correspond.
  • the outlet opening is arranged at the end of a discharge pipe, into which the reservoir opens.
  • the exit angle of the liquid phase of the metal from the discharge pipe is advantageously dimensioned such that the liquid phase of the metal emerging from the discharge pipe does not come into contact with the outer wall of the reservoir. In this way it is avoided that the outer wall is contaminated with the metal, which may be difficult to remove after cooling.
  • the free energy decimation determines whether droplets or a continuous liquid stream will form , Therefore, with a given geometric configuration and for a given metal, it is generally not possible to produce any drop sizes, but only drop sizes in certain ranges or only certain discrete drop sizes.
  • the invention also relates to a method for operating a printhead according to the invention.
  • a method for operating a printhead In this method, during a monotonous movement of the punch toward the liquid phase of the metal, a plurality of drops of the liquid phase of the metal are emitted from the exit opening, as the position of the punch along an axis directed into the liquid phase of the metal serves as a staircase function Time t is progressing. This is the optimal interaction between the component of the internal pressure in the liquid phase of the metal in the reservoir, which is introduced by the supply of the metal, and the modulation by the stamp.
  • the invention also relates to a further method for operating a printhead according to the invention.
  • this method the metal between the first end of the reservoir and the outlet opening
  • the specific heat output per unit length of the tubular reservoir is in this case monotonically increased between the first end of the reservoir and the region in which the liquid phase of the metal is formed.
  • this process control has a particularly gentle effect on the material of the reservoir, which may be a ceramic in particular.
  • this process can be in a particularly simple way to the strong
  • tubular reservoir that is closed at its second end 2b by the punch 4.
  • tubular reservoir 2 which has in its lateral surface 2i an additional opening 2j, through which the punch 4 is guided.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the invention
  • the printhead 1 has a tubular reservoir 2 for the metal 3 having a first end 2a and a second end 2b.
  • the reservoir 2 has an outer wall 2g.
  • a solid phase 3a of the metal 3 is supplied from left to right, which is illustrated by the arrow.
  • a heater 6 is installed on the lateral surface 2i of the reservoir 2, which comprises four independently controllable circuits 6a, 6b, 6c and 6d, via which the metal 3 can be heated by induction coils.
  • the heating powers introduced by the four circuits 6a, 6b, 6c and 6d are the same
  • the inner diameter of the reservoir 2 increases significantly. This has the purpose that with a stroke of the punch 4, the area 2d and thus the second end
  • the punch 4 consists of a first part 4a, which comes directly in contact with the liquid phase 3b of the metal 3, and an air-cooled extension 4b, along which the temperature decays from the part 4a to a value that is suitable for the piezoelectric
  • Actuator 5 at the right end of the extension 4b is compatible.
  • the punch 4 is displaced by the piezoelectric actuator 5 along the axis 2h pointing into the liquid phase 3b of the metal 3. This is indicated by the double arrow.
  • This axis 2h runs in the direction of the x-coordinate.
  • the y-coordinate axis runs vertically in the plane of the drawing.
  • the mechanical force is converted immediately to a pressure in the liquid phase 3b of the metal 3 in the reservoir 2.
  • a second pressure component is introduced by the movement of the punch 4. Especially the modulation of the pressure by the punch 4 causes the liquid phase 3b of the metal 3 in the form of drops 3c to emerge from the outlet opening 2e at the end of the discharge pipe 2f.
  • the exit angle of the discharge pipe 2f is dimensioned such that the droplets 3c finally leave the discharge pipe and do not come into contact with the outer wall 2g of the reservoir 2.
  • the reservoir 2 is no longer closed by the punch 4 at its second end 2b. Instead, the reservoir 2 opens at this second end 2b in the discharge pipe 2f with the outlet opening 2e.
  • the punch 4 is guided with its extension 4b through the additional opening 2j in the lateral surface 2i of the reservoir 2.
  • the first part 4a of the punch 4 seals the opening 2j against the liquid phase 3b of the metal 3.
  • the punch 4 is displaced during operation of the print head along the axis 2h, which is directed to the liquid phase 3b of the metal 3.
  • this axis 2h now runs in y- Coordinate direction in the plane of the drawing, while the solid as a wire phase 3a of the metal 3 is still oriented along the x-coordinate direction.
  • Embodiment made in accordance with Figure 1 constructive change then has the effect that the drops 3c of the metal 3 are more likely to finally detach from the reservoir 2.

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Abstract

The invention relates to a printhead (1) for a 3D printer, comprising a reservoir (2) for a metal (3), wherein the reservoir (2) comprises an outlet opening (2e) for the output of drops (3c) of a liquid phase (3b) of the metal (3), wherein the reservoir (2) is delimited by a moveably mounted die (4), such that, by moving the die (4) in the direction of the liquid phase (3b) of the metal (3), the liquid phase (3b) of the metal (3) can be caused to pass through the outlet opening (2e). The invention also relates to a method for operating a print head (1).

Description

Beschreibung Titel:  Description Title:
Druckkopf für den 3D-Druck von Metallen  Printhead for 3D printing of metals
Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, der zum Drucken von Metallen geeignet ist, sowie Verfahren zum Betreiben. The invention relates to a printhead for a 3D printer suitable for printing metals and to methods of operation.
Stand der Technik State of the art
Ein 3D-Drucker für ein thermoplastisches Material erhält eine feste Phase dieses Materials als Ausgangsmaterial, erzeugt daraus eine flüssige Phase und bringt diese flüssige Phase selektiv an den Stellen, die zu dem zu erzeugenden Objekt gehören, auf. Ein solcher 3D-Drucker umfasst einen Druckkopf, in den das Ausgangsmaterial geschmolzen wird. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, vorgesehen. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden. A 3D printer for a thermoplastic material obtains a solid phase of this material as a starting material, generates a liquid phase therefrom, and selectively deposits this liquid phase at the locations associated with the object to be formed. Such a 3D printer includes a printhead into which the source material is melted. Furthermore, means are provided for generating a relative movement between the print head and the work surface on which the object is to be formed. In this case, either only the print head, only the work surface or both the print head and the work surface can be moved.
Der Druckkopf hat einen ersten Betriebszustand, in dem flüssiges Material aus ihm austritt, und einen zweiten Betriebszustand, in dem kein flüssiges Material aus ihm austritt. Der zweite Betriebszustand wird beispielsweise dann eingenommen, wenn eine andere Position auf der Arbeitsfläche angefahren werden und auf dem Weg dorthin kein Material deponiert werden soll. Zwischen den beiden Betriebszuständen des Druckkopfes kann beispielsweise The printhead has a first mode of operation in which liquid material exits therefrom and a second mode of operation in which no liquid material exits therefrom. The second operating state is assumed, for example, when a different position is approached on the work surface and no material is to be deposited on the way there. For example, between the two operating states of the print head
umgeschaltet werden, indem der Vortrieb des festen Ausgangsmaterials ein- bzw. ausgeschaltet wird. be switched by the propulsion of the solid starting material is switched on or off.
Gegenüber thermoplastischen Kunststoffen haben Metalle einen wesentlich höheren Schmelzpunkt und zugleich im flüssigen Zustand eine wesentlich geringere Viskosität. Ein Forschungsansatz zur Lösung der Aufgabe, dem Objekt nur an definierten Stellen flüssiges Metall hinzuzufügen, ist die pneumatische Drop-on-Demand-Technik. Diese Technik wird beispielsweise in (Han-song Zuo, He-jun Li, Le-jua Qi, Jun Luo, Song-yi Zhong, Hai-peng Li,„Effect on Wetting behavior on generation of uniform aluminum droplets obtained by pneumatic drop-on-demand technique",Journal of Materials Processing Technology 214, 2566-2575 (2014)) erläutert. Das metallische Ausgangsmaterial wird in einem Reservoir, das an seinem unteren Ende eine offene Düse aufweist, durch eine Induktionsheizung aufgeschmolzen. Um einen Tropfen flüssigen Metalls aus dieser Düse zu treiben, wird das Reservoir durch Zuführen eines Inertgases mit einem Druckpuls beaufschlagt. Compared to thermoplastics metals have a much higher melting point and at the same time in the liquid state a significant lower viscosity. One research approach to solving the problem of adding liquid metal to the object at defined locations is pneumatic drop-on-demand technology. This technique is described, for example, in (Han-Song Zuo, He-jun Li, Le-juaqi, Jun Luo, Song-yi Zhong, Hai-peng Li, "Effect on Wetting Behavior on-demand technique ", Journal of Materials Processing Technology 214, 2566-2575 (2014).) The metallic starting material is melted by induction heating in a reservoir having an open nozzle at its lower end, around a drop of liquid metal to drive out of this nozzle, the reservoir is supplied by supplying an inert gas with a pressure pulse.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Druckkopf für einen 3D-Drucker entwickelt. Dieser Druckkopf umfasst ein Reservoir für ein Metall. Das Reservoir weist eine Austrittsöffnung für den Ausstoß von Tropfen einer flüssigen Phase des Metalls auf. Within the scope of the invention, a print head for a 3D printer has been developed. This printhead includes a reservoir for a metal. The reservoir has an exit opening for the ejection of drops of a liquid phase of the metal.
Erfindungsgemäß ist das Reservoir durch einen verschiebbar gelagerten According to the invention, the reservoir is supported by a displaceable
Stempel begrenzt, so dass durch eine Verschiebung des Stempels in Richtung auf die flüssige Phase des Metalls die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregbar ist. Stamp limited, so that by a displacement of the punch in the direction of the liquid phase of the metal, the liquid phase of the metal can be excited to pass through the outlet opening.
Es wurde erkannt, dass der Druckkopf auf diese Weise konstruktiv wesentlich einfacher und preiswerter zu bauen ist als ein Druckkopf, der mit der It has been recognized that the printhead in this way is structurally much simpler and cheaper to build than a printhead associated with the
pneumatischen Drop-on-Demand-Technik arbeitet. Der Druckkopf ist außerdem wesentlich einfacher zu miniaturisieren. Je kleiner wiederum das Reservoir für die flüssige Phase des Metalls ist, desto weniger Heizleistung ist für die pneumatic drop-on-demand technology works. The printhead is also much easier to miniaturize. The smaller the reservoir for the liquid phase of the metal, the less heating power is available for the
Erzeugung der flüssigen Phase des Metalls erforderlich und desto weniger Wärme gibt der Druckkopf an die Umgebung ab. Producing the liquid phase of the metal required and the less heat gives the printhead to the environment.
Durch die im Vergleich zur pneumatischen Drop-on-Demand-Technik wesentlich kompakteren Abmessungen kann der erfindungsgemäße Druckkopf By compared to the pneumatic drop-on-demand technology much more compact dimensions of the printhead according to the invention
beispielsweise in einen existierenden 3D-Drucker nachgerüstet werden, der ursprünglich für die Verarbeitung thermoplastischer Materialien gedacht war. Insbesondere kann ein solcher 3D-Drucker durch Austausch bzw. Wechsel des Druckkopfes wahlweise für thermoplastische oder für metallische Materialien verwendet werden. For example, be retrofitted into an existing 3D printer, the originally intended for the processing of thermoplastic materials. In particular, such a 3D printer can be used by replacing or changing the printhead either for thermoplastic or for metallic materials.
Der Betrieb des Druckkopfes ist prinzipiell lageunabhängig. Insoweit die flüssige Phase des Metalls durch ihren Schweredruck in Richtung der Austrittsöffnung gedrängt wird, ist eine derartige Dimensionierung der Abmessungen des The operation of the printhead is principally position-independent. Insofar as the liquid phase of the metal is forced by its gravitational pressure in the direction of the outlet opening, such a dimensioning of the dimensions of the
Reservoirs sinnvoll, dass der atmosphärische Druck von außerhalb des Reservoirs make sense that the atmospheric pressure from outside the
Reservoirs dem Schweredruck entgegenwirkt und mindestens ausreicht, um diesen zu kompensieren. Insbesondere sollte dieser atmosphärische Druck nicht dadurch neutralisiert werden, dass der Teil des Reservoirs, der die flüssige Phase des Metalls beherbergt, mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Reservoirs the gravitational pressure counteracts and at least sufficient to compensate for this. In particular, this atmospheric pressure should not be neutralized by the part of the reservoir which houses the liquid phase of the metal being in communication with the atmosphere.
Die flüssige Phase des Metalls tritt genau dann aus der Austrittsöffnung aus, wenn der insgesamt von innerhalb des Reservoirs auf die flüssige Phase des Metalls wirksame Druck größer ist als der von außerhalb der Austrittsöffnung wirkende Gegendruck. Es kommen im Wesentlichen zwei Quellen für den von innerhalb des Reservoirs auf die flüssige Phase des Metalls wirkenden Druck in Frage: Zum Einen kann über die Zuführung des Metalls in fester oder flüssiger Form Druck eingeleitet werden. Wird beispielsweise eine feste Phase des Metalls mit einer mechanischen Kraft in den Druckkopf eingeführt und im Druckkopf aufgeschmolzen, so wird die mechanische Kraft unmittelbar in einen Druck in der flüssigen Phase des Metalls übersetzt. Zum Anderen kann hierauf durch die Verschiebung des Stempels eine zweite Druckkomponente aufmoduliert werden. Diese Modulation kann sehr schnell erfolgen, so dass in schneller Folge eine Vielzahl von Tropfen der flüssigen Phase des Metalls erzeugt werden können. The liquid phase of the metal exits the discharge opening at the exact moment when the total effective pressure from within the reservoir on the liquid phase of the metal is greater than the counterpressure acting outside the discharge opening. There are essentially two sources for the pressure acting on the liquid phase of the metal within the reservoir: On the one hand, pressure can be introduced via the supply of the metal in solid or liquid form. For example, when a solid phase of the metal is introduced into the print head with a mechanical force and fused in the print head, the mechanical force is translated directly to a pressure in the liquid phase of the metal. On the other hand, this can be modulated by the displacement of the stamp, a second pressure component. This modulation can be very fast, so that in rapid succession, a plurality of drops of the liquid phase of the metal can be generated.
Dies gilt insbesondere in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, in der ein piezoelektrischer Aktor zur Verschiebung des Stempels vorgesehen ist. Ein solcher Aktor reagiert sehr schnell auf eine elektrische Ansteuerung mit einer Längenänderung. Dabei kann er eine große Kraft von bis zu mehreren 100 Newton ausüben. Der maximale Hub liegt typischerweise in der Größenordnung von 50 μηι. Als piezoelektrischer Aktor kann beispielsweise ein in Dieseleinspritzsystemen gebräuchlicher Aktor zweckentfremdet werden. Vorteilhaft besteht der Stempel aus einem thermisch isolierenden Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 3 W/(mK) oder weniger. Dieses Material kann insbesondere eine Keramik sein. Die flüssige Phase des Metalls hat This is especially true in a particularly advantageous embodiment of the invention, in which a piezoelectric actuator is provided for displacement of the punch. Such an actuator reacts very quickly to an electrical control with a change in length. He can exert a large force of up to several 100 Newton. The maximum stroke is typically in the order of 50 μηι. As a piezoelectric actuator, for example, a common actuator in diesel injection systems can be misappropriated. Advantageously, the stamp is made of a thermally insulating material having a thermal conductivity of 3 W / (mK) or less. This material may in particular be a ceramic. The liquid phase of the metal has
Temperaturen von typischerweise 600 bis 1000 °C, von denen ein, Temperatures of typically 600 to 1000 ° C, one of which,
beispielsweise piezoelektrischer, Aktor in aller Regel abzuschirmen ist. Ist der Stempel beispielsweise 7 mm dick, kühlt er sich auf einer luftgekühlten Länge von 5 cm bis auf 125 °C ab. Eine aktive Kühlung entlang des Stempels kann diese Länge verkürzen. For example, piezoelectric actuator is shielded as a rule. For example, if the stamp is 7 mm thick, it cools down to 125 ° C over an air-cooled length of 5 cm. Active cooling along the punch can shorten that length.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Reservoir rohrförmig mit zwei Enden. An seinem ersten Ende ist das Reservoir zur Zuführung des Metalls ausgebildet. An seinem zweiten Ende ist es durch den Stempel verschlossen. Die Austrittsöffnung befindet sich dann zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende. Ein Innendruck in der flüssigen Phase des Metalls im Reservoir, der Tropfen der flüssigen Phase des Metalls aus der Austrittsöffnung heraustreibt, kann dann besonders einfach durch das In a particularly advantageous embodiment of the invention, the reservoir is tubular with two ends. At its first end, the reservoir for supplying the metal is formed. At its second end it is closed by the stamp. The exit opening is then between the first end and the second end. An internal pressure in the liquid phase of the metal in the reservoir, which expels drops of the liquid phase of the metal from the outlet opening, can then be particularly easily by the
Zusammenspiel der Drücke erzeugt werden, die durch die Zuführung des Metalls einerseits und durch den Stempel andererseits ausgeübt werden. Wird eine feste Phase des Metalls zugeführt, so kann auf diese feste Phase eine mechanische Kraft ausgeübt werden, die in einen Innendruck übersetzt wird; wird am ersten Ende des Reservoirs hingegen die flüssige Phase des Metalls zugeführt, so kann ein in dieser Zuführung herrschender Schweredruck einen Innendruck im Reservoir bereitstellen. Interaction of the pressures are generated, which are exercised by the supply of the metal on the one hand and by the stamp on the other hand. If a solid phase of the metal is supplied, then a mechanical force can be exerted on this solid phase, which is translated into an internal pressure; If, however, the liquid phase of the metal is supplied at the first end of the reservoir, then a gravitational pressure prevailing in this supply can provide an internal pressure in the reservoir.
Alternativ kann in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, in der das Reservoir ebenfalls rohrförmig mit zwei Enden ist und an seinem ersten Ende zur Zuführung des Metalls ausgebildet ist, das Reservoir an seinem zweiten Ende als Austrittsöffnung ausgebildet sein. Das Reservoir ist dann an diesem Ende nicht mehr durch den Stempel verschlossen. Stattdessen weist das Reservoir in dieser Ausgestaltung in seiner Mantelfläche eine zusätzliche Öffnung auf, durch die der Stempel geführt ist. Wird der Druckkopf im Betrieb so orientiert, dass das zweite Ende des Reservoirs zugleich den tiefsten Punkt des Reservoirs darstellt, so wird die Tendenz der durch die Alternatively, in another particularly advantageous embodiment of the invention, in which the reservoir is also tubular with two ends and is formed at its first end for supplying the metal, the reservoir may be formed at its second end as an outlet opening. The reservoir is then no longer closed at this end by the stamp. Instead, the reservoir in this embodiment, in its lateral surface on an additional opening through which the punch is guided. If the printhead is oriented in operation so that the second end of the reservoir at the same time represents the lowest point of the reservoir, the tendency of the. By the
Austrittsöffnung hindurchtretenden flüssigen Phase des Metalls verstärkt, sich endgültig vom Reservoir zu lösen. Die Tendenz, stattdessen die Außenwand des Reservoirs zu benetzen, wird vermindert. Outlet opening passing through the liquid phase of the metal amplified finally to be released from the reservoir. The tendency to instead wet the outer wall of the reservoir is reduced.
In weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das In a further particularly advantageous embodiment of the invention that is
Reservoir an seinem ersten Ende zur Zuführung einer festen Phase des Metalls ausgebildet. Zusätzlich ist eine auf die feste Phase des Metalls wirksame Heizung zur Erzeugung der flüssigen Phase des Metalls vorgesehen. Die flüssige Phase des Metalls wird dann also erst innerhalb des Reservoirs gebildet. Sie ist zwischen dem Stempel und der zugeführten festen Phase des Metalls eingeschlossen, so dass der Innendruck optimal durch das Zusammenspiel der Zuführung mit dem Stempel erzeugt werden kann. Reservoir formed at its first end for supplying a solid phase of the metal. In addition, a heater effective for the solid phase of the metal is provided to produce the liquid phase of the metal. The liquid phase of the metal is then first formed within the reservoir. It is enclosed between the punch and the supplied solid phase of the metal, so that the internal pressure can be optimally generated by the interaction of the feed with the stamp.
In weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Heizung eine Induktionsheizung mit mindestens zwei voneinander separat ansteuerbaren Stromkreisen. Auf diese Weise kann das Metall zwischen dem Ort, an dem es in den Druckkopf eintritt, und dem Ort, an dem es in die flüssige Phase übergeht, schrittweise erwärmt werden. Es kann insbesondere erst kurz vor dem Bereich des Reservoirs, in dem die Austrittsöffnung angeordnet ist, verflüssigt werden. Dadurch wird nur ein kleiner Teil des Reservoirs durch den Kontakt mit der flüssigen Phase des Metalls beansprucht. Außerdem kann gegenüber einer schlagartigen Aufheizung des Metalls der Temperaturgradient in der Innenwand des Reservoirs vermindert werden. Ein derartiger Temperaturgradient kann insbesondere bei einem keramischen Reservoir starke mechanische In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the heater is an induction heater with at least two mutually separately controllable circuits. In this way, the metal can be gradually heated between the place where it enters the printhead and the place where it enters the liquid phase. In particular, it can be liquefied only shortly before the region of the reservoir in which the outlet opening is arranged. As a result, only a small part of the reservoir is stressed by the contact with the liquid phase of the metal. In addition, compared to a sudden heating of the metal, the temperature gradient in the inner wall of the reservoir can be reduced. Such a temperature gradient can be particularly strong in a ceramic reservoir strong mechanical
Spannungen erzeugen, durch die das Reservoir schließlich brechen kann. Create tensions through which the reservoir can eventually break.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nimmt der Innendurchmesser des Reservoirs zwischen seinem ersten Ende und seinem zweiten Ende monoton zu. Insbesondere kann dieser Innendurchmesser in dem Bereich, in dem der Stempel in die flüssige Phase des Metalls bewegbar ist, um mindestens einen Faktor 5 ,also beispielsweise von Drahtdurchmesser 1 mm auf Stempeldurchmesser 5 mm, größer sein als am ersten Ende des Reservoirs. Dadurch kann der Stempel einen größeren Durchmesser aufweisen und pro Einheit Hub mehr Volumen der flüssigen Phase des Metalls verdrängen. Je mehr Volumen der Stempel verdrängen kann, desto größer ist auch das Gesamtvolumen der Tropfen, die insgesamt pro Zeiteinheit aus der In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the inner diameter of the reservoir increases monotonically between its first end and its second end. In particular, this inner diameter in the region in which the punch is movable into the liquid phase of the metal by at least a factor of 5, so for example of wire diameter 1 mm on punch diameter 5 mm, be greater than at the first end of the reservoir. As a result, the punch can have a larger diameter and displace more volume of the liquid phase of the metal per unit stroke. The more volume the punch can displace, the bigger it is Total volume of drops, the total per unit time from the
Austrittsöffnung ausgestoßen werden können. Outlet opening can be ejected.
Am ersten Ende des Reservoirs kann die feste Phase des Metalls beispielsweise in Form eines Drahtes zugeführt werden. Der Durchmesser des Drahtes kann beispielsweise im Bereich zwischen 1 mm und 5 mm liegen. Der Draht liegt dort vorzugsweise eng am Innenumfang des Reservoirs an mit einem Spiel von typischerweise 50 μηι oder weniger. Der Stempel hingegen kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen 7 mm und 12 mm aufweisen. Hat der Stempel beispielsweise einen Durchmesser von 8 mm, verdrängt er bei einem Hub von 50 μηι ein Volumen von 2,5 mm3. Wird beispielsweise angestrebt, Tropfen der flüssigen Phase des Metalls mit einem Durchmesser von 190 μηι auszustoßen, so hat jeder einzelne dieser Tropfen ein Volumen von 0,029 mm3. Ein einziger Hub des Stempels von 50 μηι kann dann also bis zu 86 dieser Tropfen freisetzen. At the first end of the reservoir, the solid phase of the metal may for example be supplied in the form of a wire. The diameter of the wire may for example be in the range between 1 mm and 5 mm. The wire is there preferably close to the inner circumference of the reservoir with a game of typically 50 μηι or less. The stamp, however, may for example have a diameter between 7 mm and 12 mm. For example, if the punch has a diameter of 8 mm, it displaces a volume of 2.5 mm 3 at a stroke of 50 μm. For example, if it is desired to expel drops of the liquid phase of the metal with a diameter of 190 μm, then each of these drops has a volume of 0.029 mm 3 . A single stroke of the punch of 50 μηι can then release up to 86 of these drops.
Die wesentliche Funktion des Stempels ist, durch Modulation des Drucks im Reservoir den Ausstoß von Tropfen aus der flüssigen Phase des Metalls zu bewirken. Die Materialquelle für diese Tropfen ist nach wie vor die Zuführung. Um einen kontinuierlichen Strom an Tropfen freizusetzen, sollte der The essential function of the stamper is to effect the ejection of drops from the liquid phase of the metal by modulating the pressure in the reservoir. The source of material for these drops is still the feeder. To release a continuous stream of drops, the
Eintrittsmassenstrom in das Reservoir, aus dem unmittelbar beispielsweise die Vorschubgeschwindigkeit der festen Phase des Metalls ableitbar ist, dem Ingress mass flow into the reservoir, from which immediately, for example, the feed rate of the solid phase of the metal is derived, the
Austrittsmassenstrom durch aus der Austrittsöffnung freigesetzte Tropfen zuzüglich der Leckage zwischen dem Außenumfang des Stempels und dem Innenumfang des Reservoirs entsprechen. Exit mass flow by released from the outlet opening drops plus the leakage between the outer periphery of the punch and the inner circumference of the reservoir correspond.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Austrittsöffnung am Ende eines Ableitrohrs angeordnet, in das das Reservoir mündet. Dabei ist der Austrittswinkel der flüssigen Phase des Metalls aus dem Ableitrohr vorteilhaft so dimensioniert, dass die aus dem Ableitrohr austretende flüssige Phase des Metalls nicht in Kontakt mit der Außenwand des Reservoirs kommt. Auf diese Weise wird vermieden, dass die Außenwand mit dem Metall verunreinigt wird, das sich nach dem Erkalten möglicherweise nur noch schwer entfernen lässt. Bei einem gegebenen Innendruck im Reservoir, der auf die flüssige Phase des Metalls wirkt, entscheidet abhängig vom Durchmesser der Austrittsöffnung, vom Innendruck sowie von Oberflächenspannung und Viskosität der flüssigen Phase des Metalls die Minimierung der freien Energie darüber, ob sich Tropfen oder ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrom bilden. Es sind daher mit einer gegebenen geometrischen Konfiguration und für ein gegebenes Metall in der Regel nicht beliebige Tropfengrößen herstellbar, sondern nur Tropfengrößen in bestimmten Bereichen oder aber nur bestimmte diskrete Tropfengrößen. In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the outlet opening is arranged at the end of a discharge pipe, into which the reservoir opens. In this case, the exit angle of the liquid phase of the metal from the discharge pipe is advantageously dimensioned such that the liquid phase of the metal emerging from the discharge pipe does not come into contact with the outer wall of the reservoir. In this way it is avoided that the outer wall is contaminated with the metal, which may be difficult to remove after cooling. At a given internal pressure in the reservoir, which acts on the liquid phase of the metal, depending on the diameter of the exit orifice, internal pressure and surface tension and viscosity of the liquid phase of the metal, the free energy decimation determines whether droplets or a continuous liquid stream will form , Therefore, with a given geometric configuration and for a given metal, it is generally not possible to produce any drop sizes, but only drop sizes in certain ranges or only certain discrete drop sizes.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Druckkopfes. Bei diesem Verfahren wird während einer monotonen Bewegung des Stempels in Richtung auf die flüssige Phase des Metalls eine Mehrzahl von Tropfen der flüssigen Phase des Metalls aus der Austrittsöffnung emittiert, indem die Position des Stempels entlang einer in die flüssige Phase des Metalls gerichteten Achse als Treppenfunktion der Zeit t voranschreitet. Dies ist das optimale Zusammenspiel zwischen der Komponente des Innendrucks in der flüssigen Phase des Metalls im Reservoir, die durch die Zuführung des Metalls eingebracht wird, und der Modulation durch den Stempel. The invention also relates to a method for operating a printhead according to the invention. In this method, during a monotonous movement of the punch toward the liquid phase of the metal, a plurality of drops of the liquid phase of the metal are emitted from the exit opening, as the position of the punch along an axis directed into the liquid phase of the metal serves as a staircase function Time t is progressing. This is the optimal interaction between the component of the internal pressure in the liquid phase of the metal in the reservoir, which is introduced by the supply of the metal, and the modulation by the stamp.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Druckkopfes. Bei diesem Verfahren wird das Metall zwischen dem ersten Ende des Reservoirs und der Austrittsöffnung The invention also relates to a further method for operating a printhead according to the invention. In this method, the metal between the first end of the reservoir and the outlet opening
aufgeschmolzen. Die spezifische Heizleistung pro Einheit Läge des rohrförmigen Reservoirs wird hierbei zwischen dem ersten Ende des Reservoirs und dem Bereich, in dem die flüssige Phase des Metalls gebildet wird, monoton erhöht. Diese Prozessführung wirkt zum Einen besonders schonend auf das Material des Reservoirs, das insbesondere eine Keramik sein kann. Zum Anderen lässt sich diese Prozessführung in besonders einfacher Weise an das stark melted. The specific heat output per unit length of the tubular reservoir is in this case monotonically increased between the first end of the reservoir and the region in which the liquid phase of the metal is formed. On the one hand, this process control has a particularly gentle effect on the material of the reservoir, which may be a ceramic in particular. On the other hand, this process can be in a particularly simple way to the strong
unterschiedliche Verhalten anpassen, das verschiedene Metalle beim to adapt different behaviors when using different metals
Aufschmelzen zeigen. Verschiedene Metalle benötigen in verschiedenen Temperaturbereichen für eine weitere Erwärmung pro Kelvin unterschiedliche Energiemengen, weil sich die Wärmekapazitäten und Schmelzpunkte Show melting. Different metals require different amounts of energy in different temperature ranges for further heating per Kelvin, because the heat capacities and melting points
verschiedener Metalle in aller Regel unterscheiden und weil in verschiedenen Metallen bei bestimmten Temperaturen Gefügeumwandlungen stattfinden, die Energie kosten. Vorteilhaft werden höchstens die dem Stempel am nächsten gelegenen 25 % des Innenvolumens des Reservoirs mit der flüssigen Phase des Metalls belegt. Je geringer dieser Anteil ist, desto weniger Energie ist für die Vorhaltung der flüssigen Phase erforderlich und desto weniger wird das Material des Reservoirs durch den Kontakt mit der flüssigen Phase des Metalls beansprucht. Different metals usually distinguish and because in different metals at certain temperatures take place structural changes that cost energy. Advantageously, at most the 25% of the inner volume of the reservoir closest to the plunger is coated with the liquid phase of the metal. The smaller this proportion, the less energy is required for the provision of the liquid phase and the less the material of the reservoir is stressed by the contact with the liquid phase of the metal.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt. Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to figures.
Ausführungsbeispiele embodiments
Es zeigt: It shows:
Figur 1 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckkopfes mit Figure 1 embodiment of the printhead according to the invention with
rohrförmigen Reservoir, dass an seinem zweiten Ende 2b durch den Stempel 4 verschlossen ist.  tubular reservoir that is closed at its second end 2b by the punch 4.
Figur 2 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckkopfes mit Figure 2 embodiment of the printhead according to the invention with
rohrförmigen Reservoir 2, das in seiner Mantelfläche 2i eine zusätzliche Öffnung 2j aufweist, durch die der Stempel 4 geführt ist.  tubular reservoir 2, which has in its lateral surface 2i an additional opening 2j, through which the punch 4 is guided.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the invention
Druckkopfes 1. Der Druckkopf 1 besitzt ein rohrförmiges Reservoir 2 für das Metall 3 mit einem ersten Ende 2a und einem zweiten Ende 2b. Das Reservoir 2 hat eine Außenwand 2g. Am ersten Ende 2a des Reservoirs 2 wird eine feste Phase 3a des Metalls 3 von links nach rechts zugeführt, was durch den Pfeil verdeutlicht ist. Im Teilbereich 2c des Reservoirs 2 ist auf der Mantelfläche 2i des Reservoirs 2 eine Heizung 6 installiert, die vier voneinander unabhängig ansteuerbare Stromkreise 6a, 6b, 6c und 6d umfasst, über die das Metall 3 jeweils durch Induktionsspulen erwärmt werden kann. Dabei sind die durch die vier Stromkreise 6a, 6b, 6c und 6d eingebrachten Heizleistungen so Printhead 1. The printhead 1 has a tubular reservoir 2 for the metal 3 having a first end 2a and a second end 2b. The reservoir 2 has an outer wall 2g. At the first end 2a of the reservoir 2, a solid phase 3a of the metal 3 is supplied from left to right, which is illustrated by the arrow. In the sub-area 2c of the reservoir 2, a heater 6 is installed on the lateral surface 2i of the reservoir 2, which comprises four independently controllable circuits 6a, 6b, 6c and 6d, via which the metal 3 can be heated by induction coils. In this case, the heating powers introduced by the four circuits 6a, 6b, 6c and 6d are the same
dimensioniert, dass die feste Phase 3a des Metalls 3 erst in dem Bereich, in dem der vierte Stromkreis 6d das Metall 3 heizt, in die flüssige Phase 3b übertritt. Beim Übergang vom Bereich 2c des Reservoirs 2, in dem die Heizung 6 installiert ist, in den Bereich 2d, der in das Ableitrohr 2f mündet, vergrößert sich der Innendurchmesser des Reservoirs 2 deutlich. Dies hat zum Zweck, dass mit einem Hub des Stempels 4, der den Bereich 2d und damit auch das zweite Endedimensioned such that the solid phase 3a of the metal 3 only in the region in which the fourth circuit 6d heats the metal 3, in the liquid phase 3b passes. In the transition from the region 2c of the reservoir 2, in which the heater 6 is installed, in the region 2d, which opens into the discharge pipe 2f, the inner diameter of the reservoir 2 increases significantly. This has the purpose that with a stroke of the punch 4, the area 2d and thus the second end
2b des Reservoirs 2 verschließt, möglichst viel Volumen der flüssigen Phase 3d des Metalls 3 verdrängt werden soll. Der Stempel 4 besteht aus einem ersten Teil 4a, der unmittelbar in Kontakt mit der flüssigen Phase 3b des Metalls 3 kommt, und einer luftgekühlten Verlängerung 4b, entlang derer die Temperatur ausgehend vom Teil 4a auf einen Wert abklingt, der für den piezoelektrischen2b of the reservoir 2 closes, as much volume of the liquid phase 3d of the metal 3 is to be displaced. The punch 4 consists of a first part 4a, which comes directly in contact with the liquid phase 3b of the metal 3, and an air-cooled extension 4b, along which the temperature decays from the part 4a to a value that is suitable for the piezoelectric
Aktor 5 am rechten Ende der Verlängerung 4b verträglich ist. Der Stempel 4 wird durch den piezoelektrischen Aktor 5 entlang der in die flüssige Phase 3b des Metalls 3 zeigenden Achse 2h verschoben. Dies ist durch den Doppelpfeil angedeutet. Diese Achse 2h verläuft in Richtung der x-Koordinate. Die y- Koordinatenachse verläuft hierzu senkrecht in der Zeichenebene. Actuator 5 at the right end of the extension 4b is compatible. The punch 4 is displaced by the piezoelectric actuator 5 along the axis 2h pointing into the liquid phase 3b of the metal 3. This is indicated by the double arrow. This axis 2h runs in the direction of the x-coordinate. For this, the y-coordinate axis runs vertically in the plane of the drawing.
Die bei der Zuführung der festen Phase 3a des Metalls 3 ausgeübte The force exerted in the supply of the solid phase 3a of the metal 3
mechanische Kraft wird unmittelbar zu einem Druck in der flüssigen Phase 3b des Metalls 3 im Reservoir 2 umgesetzt. Eine zweite Druckkomponente wird durch die Bewegung des Stempels 4 eingebracht. Gerade die Modulation des Drucks durch den Stempel 4 führt dazu, dass die flüssige Phase 3b des Metalls 3 in Form von Tropfen 3c aus der Austrittsöffnung 2e am Ende des Ableitrohrs 2f austreten. Dabei ist der Austrittswinkel des Ableitrohrs 2f so dimensioniert, dass die Tropfen 3c das Ableitrohr endgültig verlassen und nicht mit der Außenwand 2g des Reservoirs 2 in Kontakt kommen. mechanical force is converted immediately to a pressure in the liquid phase 3b of the metal 3 in the reservoir 2. A second pressure component is introduced by the movement of the punch 4. Especially the modulation of the pressure by the punch 4 causes the liquid phase 3b of the metal 3 in the form of drops 3c to emerge from the outlet opening 2e at the end of the discharge pipe 2f. In this case, the exit angle of the discharge pipe 2f is dimensioned such that the droplets 3c finally leave the discharge pipe and do not come into contact with the outer wall 2g of the reservoir 2.
Bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Reservoir 2 an seinem zweiten Ende 2b nicht mehr durch den Stempel 4 verschlossen. Stattdessen mündet das Reservoir 2 an diesem zweiten Ende 2b in das Ableitrohr 2f mit der Austrittsöffnung 2e. Der Stempel 4 ist mit seiner Verlängerung 4b durch die zusätzliche Öffnung 2j in der Mantelfläche 2i des Reservoirs 2 geführt. Der erste Teil 4a des Stempels 4 dichtet die Öffnung 2j gegen die flüssige Phase 3b des Metalls 3 ab. Der Stempel 4 wird im Betrieb des Druckkopfes entlang der Achse 2h verschoben, die auf die flüssige Phase 3b des Metalls 3 gerichtet ist. Im Unterschied zu Figur 1 verläuft diese Achse 2h nunmehr in y- Koordinatenrichtung in der Zeichenebene, während die als Draht vorliegende feste Phase 3a des Metalls 3 nach wie vor entlang der x-Koordinatenrichtung orientiert ist. In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the reservoir 2 is no longer closed by the punch 4 at its second end 2b. Instead, the reservoir 2 opens at this second end 2b in the discharge pipe 2f with the outlet opening 2e. The punch 4 is guided with its extension 4b through the additional opening 2j in the lateral surface 2i of the reservoir 2. The first part 4a of the punch 4 seals the opening 2j against the liquid phase 3b of the metal 3. The punch 4 is displaced during operation of the print head along the axis 2h, which is directed to the liquid phase 3b of the metal 3. In contrast to FIG. 1, this axis 2h now runs in y- Coordinate direction in the plane of the drawing, while the solid as a wire phase 3a of the metal 3 is still oriented along the x-coordinate direction.
Wird diese Ausführungsform des Druckkopfes im Betrieb so orientiert, dass die x- Koordinatenrichtung nach unten weist, so bildet das zweite Ende 2b des If this embodiment of the print head is oriented in operation so that the x-coordinate direction points downward, the second end 2b of FIG
Reservoirs 2 zugleich dessen tiefsten Punkt. Die gegenüber dem Reservoirs 2 at the same time its lowest point. The opposite to the
Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 vorgenommene konstruktive Veränderung hat dann die Wirkung, dass die Tropfen 3c des Metalls 3 stärker dazu tendieren, sich endgültig vom Reservoir 2 zu lösen. Embodiment made in accordance with Figure 1 constructive change then has the effect that the drops 3c of the metal 3 are more likely to finally detach from the reservoir 2.

Claims

Ansprüche claims
1. Druckkopf (1) für einen 3D-Drucker, umfassend ein Reservoir (2) für ein Metall (3), wobei das Reservoir (2) eine Austrittsöffnung (2e) für den Ausstoß von Tropfen (3c) einer flüssigen Phase (3b) des Metalls (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (2) durch einen verschiebbar gelagerten Stempel (4) begrenzt ist, so dass durch eine Verschiebung des Stempels (4) in Richtung auf die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung (2e) anregbar ist. 1. Printhead (1) for a 3D printer, comprising a reservoir (2) for a metal (3), the reservoir (2) having an outlet opening (2e) for the ejection of drops (3c) of a liquid phase (3b) of the metal (3), characterized in that the reservoir (2) is delimited by a displaceably mounted punch (4) so that displacement of the punch (4) in the direction of the liquid phase (3b) of the metal (3 ) the liquid phase (3b) of the metal (3) can be excited to pass through the outlet opening (2e).
2. Druckkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoelektrischer Aktor (5) zur Verschiebung des Stempels (4) vorgesehen ist. Second print head (1) according to claim 1, characterized in that a piezoelectric actuator (5) for displacement of the punch (4) is provided.
3. Druckkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch 3. printhead (1) according to one of claims 1 to 2, characterized
gekennzeichnet, dass der Stempel (4) aus einem thermisch isolierenden Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 3 W/(mK) oder weniger besteht. characterized in that the punch (4) consists of a thermally insulating material having a thermal conductivity of 3 W / (mK) or less.
4. Druckkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch 4. printhead (1) according to one of claims 1 to 3, characterized
gekennzeichnet, dass das Reservoir (2) rohrförmig mit zwei Enden (2a, 2b) ist, an seinem ersten Ende (2a) zur Zuführung des Metalls (3) ausgebildet ist und an seinem zweiten Ende (2b) durch den Stempel (4) verschlossen ist. characterized in that the reservoir (2) is tubular with two ends (2a, 2b), formed at its first end (2a) for feeding the metal (3) and closed at its second end (2b) by the punch (4) is.
5. Druckkopf (1) nach einem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (2) rohrförmig mit zwei Enden (2a, 2b) ist, an seinem ersten Ende (2a) zur Zuführung des Metalls (3) ausgebildet ist, an seinem zweiten Ende als Austrittsöffnung (2e) ausgebildet ist und in seiner Mantelfläche (2i) eine zusätzliche Öffnung (2j) aufweist, durch die der Stempel (4) geführt ist. 5. Printhead (1) according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the reservoir (2) is tubular with two ends (2a, 2b), at its first end (2a) for feeding the metal (3). is formed at its second end as an outlet opening (2e) is formed and in its lateral surface (2i) has an additional opening (2j), through which the punch (4) is guided.
6. Druckkopf (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch 6. printhead (1) according to one of claims 4 to 5, characterized
gekennzeichnet, dass das Reservoir (2) an seinem ersten Ende (2a) zur Zuführung einer festen Phase (3a) des Metalls (3) ausgebildet ist und dass eine auf die feste Phase (3a) des Metalls wirksame Heizung (6) zur Erzeugung der flüssigen Phase (3b) des Metalls (3) vorgesehen ist. characterized in that the reservoir (2) is formed at its first end (2a) for supplying a solid phase (3a) of the metal (3), and in that a heater (6) acting on the solid phase (3a) of the metal is used to produce the liquid phase (3b) of the metal (3) is provided.
7. Druckkopf (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die7. printhead (1) according to claim 6, characterized in that the
Heizung (6) eine Induktionsheizung mit mindestens zwei voneinander separat ansteuerbaren Stromkreisen (6a, 6b, 6c, 6d) ist. Heater (6) is an induction heater with at least two mutually separately controllable circuits (6a, 6b, 6c, 6d).
8. Druckkopf (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch 8. printhead (1) according to one of claims 4 to 7, characterized
gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Reservoirs (2) zwischen seinem ersten Ende (2a) und seinem zweiten Ende (2b) monoton zunimmt. characterized in that the inner diameter of the reservoir (2) monotonously increases between its first end (2a) and its second end (2b).
9. Druckkopf (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Reservoirs (2) in dem Bereich, in dem der Stempel (4) in die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) bewegbar ist, um mindestens einen Faktor 5 größer sein als am ersten Ende des Reservoirs (2). 9. Printhead (1) according to claim 8, characterized in that the inner diameter of the reservoir (2) in the region in which the punch (4) in the liquid phase (3b) of the metal (3) is movable by at least one Factor 5 be greater than at the first end of the reservoir (2).
10. Druckkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch 10. printhead (1) according to one of claims 1 to 9, characterized
gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (2e) am Ende eines Ableitrohrs (2f) angeordnet ist, in das das Reservoir (2) mündet. in that the outlet opening (2e) is arranged at the end of a discharge pipe (2f) into which the reservoir (2) opens.
11. Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass während einer monotonen Bewegung des Stempels (4) in Richtung auf die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) eine Mehrzahl von Tropfen (3c) der flüssigen Phase (3b) des Metalls (3) aus der Austrittsöffnung (2e) emittiert wird, indem die Position des Stempels (4) entlang einer in die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) gerichteten Achse (2h) als Treppenfunktion der Zeit t voranschreitet. 11. A method for operating a printhead (1) according to any one of claims 1 to 10, characterized in that during a monotonous movement of the punch (4) in the direction of the liquid phase (3b) of the metal (3) a plurality of drops ( 3c) of the liquid phase (3b) of the metal (3) is emitted from the outlet opening (2e) by the position of the punch (4) along an axis (2h) directed into the liquid phase (3b) of the metal (3) Step function of time t is progressing.
12. Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall (3) zwischen dem ersten Ende (2a) des Reservoirs (2) und der Austrittsöffnung (2e) aufgeschmolzen wird, wobei die spezifische Heizleistung pro Einheit Länge des rohrförmigen Reservoirs (2) zwischen dem ersten Ende (2a) des Reservoirs (2) und dem Bereich, in dem die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) gebildet wird, monoton erhöht wird. 12. A method for operating a printhead (1) according to any one of claims 6 to 10, characterized in that the metal (3) between the first end (2a) of the reservoir (2) and the outlet opening (2e) is melted, wherein the specific heat output per unit length of tubular reservoir (2) between the first end (2a) of the reservoir (2) and the region in which the liquid phase (3b) of the metal (3) is formed, is monotonously increased.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass höchstens die dem Stempel (4) am nächsten gelegenen 25 % des 13. The method according to claim 12, characterized in that at most the stamp (4) closest to 25% of
Innenvolumens des Reservoirs (2) mit der flüssigen Phase (3b) des Metalls (3) belegt werden. Inside volume of the reservoir (2) with the liquid phase (3b) of the metal (3) are occupied.
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