WO2020120547A1 - Vorrichtung zur generativen fertigung eines dreidimensionalen werkstücks aus einer aluminiumhaltigen metallschmelze - Google Patents

Vorrichtung zur generativen fertigung eines dreidimensionalen werkstücks aus einer aluminiumhaltigen metallschmelze Download PDF

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WO2020120547A1
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nozzle bore
molten metal
bore
nozzle body
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Peter Voehringer
Andreas Michalowski
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a device for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece from an aluminum-containing one
  • Molten metal in particular an molten aluminum.
  • Generative manufacturing includes in particular 3D printing processes in which liquid or solid materials are layered into a three-dimensional one
  • the workpiece Liquid materials are applied to a workpiece carrier in the form of individual drops. Solid materials, for example in the form of powders, are melted locally.
  • the present invention relates to a 3D printing device that uses only liquid materials.
  • the device comprises an actuator device, by means of which a volume of the reservoir for generating a pressure wave can be reduced.
  • the pressure wave causes at least part of the fluid received in the reservoir to be output via the outlet device and applied to the workpiece carrier.
  • the actuator device has a membrane, which is formed in or as an outer wall of the reservoir and is elastic is deformable.
  • the actuator device comprises a movable piston, by means of which the elastic deformation of the membrane can be effected when an eddy current actuator or a magnetic actuator is actuated.
  • Cavitation areas and / or flow separation which impair or impair the formation of drops.
  • a drop can come off prematurely, the diameter of which is also smaller than the diameter of the outlet opening, so that the drop emerges eccentrically and is deflected when it emerges. This must be prevented.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a device for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece from an aluminum-containing metal melt, in particular an aluminum melt, which enables precise drop formation even at a high drop frequency.
  • three-dimensional workpiece made of an aluminum-containing molten metal, in particular an aluminum melt comprises a compression space which receives the molten metal and which is moved back and forth by a piston which can move back and forth and by a nozzle body with a nozzle bore
  • the nozzle body has, at least in the region of a surface adjacent to the nozzle bore, which is arranged on the side facing away from the compression space, a metallophopic, in particular aluphobic, structure.
  • the metallophopic, in particular aluphobic structure supports a rapid detachment of the drops at the end of the nozzle bore, so that it is ensured that the drops are not deflected, but are flying straight towards their destination.
  • the area is preferably formed from a porous structure.
  • the area is formed from a needle-shaped or stilt-shaped structure, these being advantageously formed in a size of 1 to 10 pm.
  • the configuration according to the invention advantageously ensures that a drop emerging from the nozzle bore does not experience any adhesive forces on the underside of the nozzle plate.
  • the structure according to the invention minimizes the contact of the liquid metal with the subsurface and thereby forces the liquid column due to the dominance of the
  • the nozzle body is made of a metallophilic, in particular aluphilic, material at least in the area of the nozzle bore or has a coating with a metallophilic, in particular aluphilic, material.
  • Metallophile means that the contact angle between the molten metal and the surface formed from the metallophilic, in particular aluphilic, material is comparatively small. This improves the wetting of the surface with the molten metal. This has the advantage that the
  • Drop detachment only takes place at the end of the nozzle bore and not already within the nozzle bore. A premature detachment of drops can thus be counteracted. It is also ensured that after the creation of a drop, the nozzle bore remains filled with molten metal, so that the next drop can be formed from this immediately.
  • the process can thus be designed to be highly dynamic, in particular the drop frequency increase. For example, a drop frequency of 500 to 1000 Hz can be realized without the disadvantages mentioned at the outset.
  • a smaller drop can detach within the nozzle bore and emerge eccentrically from the nozzle bore, the drop being deflected due to the higher wall friction on one side.
  • the metallophilic, in particular aluphilic, material is silicon nitride.
  • Silicon nitride has optimal properties for the intended area of use in relation to metal melts containing aluminum. In particular, the contact angle between the aluminum-containing molten metal and the surface consisting of silicon nitride can be reduced.
  • the nozzle bore preferably has sections with differently large bore diameters, the bore diameters preferably becoming smaller in the direction of the end of the nozzle bore.
  • the decreasing bore diameter supports the drop formation and the detachment of the drops at the end of the nozzle bore.
  • the sections with different bore diameters are connected via a conically shaped section.
  • the nozzle body is advantageously plate-shaped or comprises a nozzle plate.
  • the plate shape facilitates the formation of the nozzle bore, since the area having the bore is easily accessible. If the nozzle body is made of several parts and comprises a nozzle plate, the remaining parts of the nozzle body can be made of a different material than that
  • Nozzle plate can be manufactured.
  • the material can thus be adapted to the respective function of a part of the nozzle body.
  • the nozzle body can be a hollow cylinder for radial
  • Compression space limitation include.
  • the hollow cylinder can thus also be used to guide the reciprocating piston.
  • the hollow cylinder is therefore preferably made of a material that is particularly wear-resistant.
  • the nozzle body is made of several parts and comprises a nozzle plate and a hollow cylinder
  • the nozzle plate and the hollow cylinder are preferably connected by means of a nozzle clamping nut.
  • the two parts can be clamped together using the nozzle clamping nut.
  • high sealing forces can be achieved, so that it is ensured that no metal melt escapes between the two parts.
  • Device with an actuator preferably with a magnetic or piezo actuator, is operatively connected.
  • the piston With the help of the actuator, the piston can be moved back and forth.
  • a piezo actuator is preferably used, since this enables short, rapid movements to generate pressure pulses which follow one another quickly.
  • Fig. 3 shows a first embodiment of the metallophobic structure and Fig. 4 shows a second embodiment of the metallophobic structure.
  • the inventive device shown in FIG. 1 for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece from an aluminum-containing molten metal comprises a multi-part nozzle body 4, which comprises a plate-shaped part or a nozzle plate 12.
  • the nozzle plate 12 is connected to a hollow cylinder 9 by means of a nozzle clamping nut 10, i. H. axially clamped in which a reciprocating piston 3 is received.
  • the piston 3, the hollow cylinder 9 and the nozzle plate 12 together delimit a compression space 2 which can be filled with a molten metal 1.
  • the device further comprises an actuator (not shown) with the aid of which the piston 3 can be moved back and forth.
  • the piston 3 is immersed in the
  • Compression room 2 withdraws from it. In this way, pressure waves or pressure pulses are generated which press the molten metal 1 into a nozzle bore 5 of the nozzle plate 12, so that it is discharged via the nozzle bore 5 in the form of individual drops 11.
  • the nozzle plate 12 has a coating 6 made of a metallophilic, in particular aluminum, material in the region of the nozzle bore 5.
  • Nozzle bore 5 remains filled with molten metal 1 and the next drop 11 can be formed immediately.
  • the surface 7 In the area 8 of a surface 7 adjoining the nozzle bore 5, which is formed on the side of the nozzle plate 12 facing away from the compression space 2, the surface 7 has a metallophopic, in particular aluphobic structure 18.
  • the aluminum structure 8 in turn supports the detachment of the drops 11 at the end of the nozzle bore 5, as seen in the flow direction of the molten metal 1.
  • the surface 7 forms the underside of the nozzle plate 7.
  • droplets 11 can thus be formed from an aluminum-containing molten metal 1, which have a defined size and can be positioned exactly, since they are after
  • FIG. 2 shows a schematic drawing of a metallophopic, in particular aluphobic structure 18, the structure 18 having a heterogeneous surface texture 20 which favors the so-called lotus effect.
  • the heterogeneous surface texture 20 forms a porous structure 18 on which a drop 11 is formed.
  • FIG. 3 shows a first exemplary embodiment of the metallophopic, in particular aluphobic structure 18, the structure 18 being needle-shaped or stilt-shaped and arranged in a ring around the nozzle bore 5.
  • the structure 18 is designed as a flower structure.
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of the metallophopic, in particular aluminum-raised structure 18, the structure 18 being needle-shaped or stilt-shaped and being arranged rectangularly around the nozzle bore 5.
  • the structure 18 is designed as a checkerboard pattern.
  • the structures 18 according to the invention can be evaporated or removed from ceramic material, e.g. be formed around the nozzle bore 5 by an ultra-short pulse laser (UKP laser).
  • the target state is a heterogeneous surface texture 20 for all of the exemplary embodiments
  • aluphobic structures 18 with holes of, for example, 10-20 pm are preferred.
  • the centers of the holes with respect to one another preferably have distances of the same size.
  • a hole has to be introduced if the sum of the row and column is odd.
  • the holes are to be made in the form of a Fibonacci spiral.
  • the structure 18 is only to be attached in the immediate vicinity of the nozzle bore 5, since only there could an axially symmetrical tear-off of the drop 11 be disturbed by the emerging drop 11 adhering to the underside of the nozzle plate 7.
  • a preferred coverage of the immediate vicinity of the nozzle bore 5 is, for example, two to three times the diameter of the nozzle bore 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze (1), insbesondere einer Aluminiumschmelze, umfassend einen die Metallschmelze (1) aufnehmenden Kompressionsraum (2), der durch einen hin-und herbeweglichen Kolben (3) und durch einen Düsenkörper (4) mit einer Düsenbohrung (5) zur topfenförmigen Abgabe der Metallschmelze (1) begrenzt wird, wobei der Düsenkörper (4) zumindest im Bereich (8) einer an die Düsenbohrung (5) angrenzenden Oberfläche (7), die auf der dem Kompressionsraum (2) abgewandten Seite angeordnet ist, eine metallophobe, insbesondere aluphobe Struktur (18) aufweist.

Description

Beschreibung
Titel:
Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen
Metallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze.
Die generative Fertigung umfasst insbesondere 3D-Druckverfahren, bei denen flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen
Werkstück aufgebaut werden. Flüssige Werkstoffe werden in Form einzelner Tropfen auf einen Werkstückträger aufgebracht. Feste Werkstoffe, zum Beispiel in Form von Pulvern, werden lokal aufgeschmolzen. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer 3D-Druckvorrichtung, die ausschließlich flüssige Werkstoffe einsetzt.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 206 813 Al geht beispielhaft eine Vorrichtung zum Aufträgen eines Fluids auf einen Werkstückträger zum
Erzeugen eines Werkstücks hervor, die ein Reservoir zur Aufnahme des Fluids sowie eine Auslasseinrichtung zum Ausgeben des Fluids aufweist. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Aktoreinrichtung, mittels welcher ein Volumen des Reservoirs zur Erzeugung einer Druckwelle verkleinerbar ist. Die Druckwelle bewirkt, dass zumindest ein Teil des im Reservoir aufgenommenen Fluids über die Auslasseinrichtung ausgegeben und auf den Werkstückträger aufgetragen wird. Die Aktoreinrichtung weist hierzu eine Membran auf, die in einer oder als eine Außenwand des Reservoirs ausgebildet und elastisch verformbar ist. Ferner umfasst die Aktoreinrichtung einen beweglichen Kolben, mittels dessen die elastische Verformung der Membran bei Betätigung eines Wirbelstromaktors bzw. eines Magnetaktors bewirkbar ist.
Um den Wirkungsgrad einer solchen Vorrichtung zu steigern, wird häufig eine Erhöhung der Tropfenfrequenz gefordert. Das heißt, dass die zur Tropfenbildung erforderlichen Druckwellen bzw. Druckpulse in kürzeren zeitlichen Abständen erzeugt werden müssen. Dabei kann es in der Auslasseinrichtung zu
Kavitationsgebieten und/ oder zu einer Strömungsablösung kommen, welche die Tropfenbildung beeinträchtigen bzw. beeinträchtigt. Insbesondere kann sich vorzeitig ein Tropfen ablösen, dessen Durchmesser zudem kleiner als der Durchmesser der Austrittsöffnung ist, so dass der Tropfen exzentrisch austritt und beim Austreten abgelenkt wird. Dies gilt es zu verhindern.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze, anzugeben, die eine präzise Tropfenbildung selbst bei hoher Tropfenfrequenz ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur generativen Fertigung eines
dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze, umfasst einen die Metallschmelze aufnehmenden Kompressionsraum, der durch einen hin- und herbeweglichen Kolben und durch einen Düsenkörper mit einer Düsenbohrung zur
topfenförmigen Abgabe der Metallschmelze begrenzt wird. Der Düsenkörper weist dabei zumindest im Bereich einer an die Düsenbohrung angrenzenden Oberfläche, die auf der dem Kompressionsraum abgewandten Seite angeordnet ist, eine metallophope, insbesondere aluphobe Struktur auf.
Die metallophope, insbesondere aluphobe Struktur unterstützt ein schnelles Ablösen der Tropfen am Ende der Düsenbohrung, so dass sichergestellt ist, dass die Tropfen nicht abgelenkt werden, sondern gerade in Richtung ihres Zielortes fliegen.
Der Bereich ist vorzugsweise aus einer porösen Struktur gebildet.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungen ist der Bereich aus einer nadel- oder stelzenförmigen Struktur gebildet, wobei diese in vorteilhafter Weise in einer Größe von 1 bis 10 pm ausgebildet sind.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass ein aus der Düsenbohrung austretender Tropfen keinerlei adhäsive Kräfte seitens der Düsenplattenunterseite erfährt. Die erfindungsgemäße Struktur führt zu einer Minimierung des Kontakts des flüssigen Metalls mit dem Untergrund und zwingt dadurch die Flüssigkeitssäule aufgrund der Dominanz der
Kohäsionskräfte zur Tropfenbildung.
Ferner ist es von Vorteil, dass der Düsenkörper zumindest im Bereich der Düsenbohrung aus einem metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff gefertigt ist oder eine Beschichtung mit einem metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff aufweist.
„Metallophil“ bedeutet, dass der Kontaktwinkel zwischen der Metallschmelze und der aus dem metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff ausgebildeten Oberfläche vergleichsweise klein ist. Dadurch wird die Benetzung der Oberfläche mit der Metallschmelze verbessert. Dies weist den Vorteil auf, dass die
Tropfenablösung erst am Ende der Düsenbohrung und nicht bereits innerhalb der Düsenbohrung erfolgt. Einem vorzeitigen Ablösen von Tropfen kann somit entgegengewirkt werden. Ferner ist sichergestellt, dass nach der Erzeugung eines Tropfens die Düsenbohrung mit Metallschmelze gefüllt bleibt, so dass hieraus gleich der nächste Tropfen gebildet werden kann. Der Prozess kann somit hochdynamisch gestaltet werden, insbesondere kann die Tropfenfrequenz erhöht werden. Beispielsweise kann eine Tropfenfrequenz von 500 bis 1000 Hz realisiert werden, ohne dass es zu den eingangs genannten Nachteilen kommt.
Bei einer Düsenbohrung, die keine aluphile Oberfläche aufweist, neigt die aluminiumhaltige Metallschmelze aufgrund ihrer hohen Oberflächenspannung dazu, sich nach jedem Druckpuls zur Erzeugung eines Tropfens aus der Düsenbohrung zurückzuziehen. Die Düsenbohrung muss demnach erneut mit Metallschmelze gefüllt werden, bevor ein weiterer Tropfen erzeugt werden kann. Hohe Tropfenfrequenzen können auf diese Weise nicht erzielt werden. Zudem besteht die Gefahr, dass Kavitationsgebiete entstehen und/oder es zu einer Strömungsablösung und den damit verbundenen Nachteilen kommt.
Insbesondere kann sich innerhalb der Düsenbohrung ein kleinerer Tropfen ablösen und exzentrisch aus der Düsenbohrung austreten, wobei der Tropfen - aufgrund der einseitig höheren Wandreibung - abgelenkt wird.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorrichtung, die im Bereich einer an die
Düsenbohrung angrenzenden Oberfläche, die auf der dem Kompressionsraum abgewandten Seite angeordnet ist, eine metallophope, insbesondere aluphobe Struktur aufweist und im Bereich der Düsenbohrung einen metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff aufweist, können diese Nachteile vermieden werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der metallophile, insbesondere aluphile Werkstoff Siliziumnitrid. Siliziumnitrid weist für den vorgesehenen Einsatzbereich in Bezug auf aluminiumhaltige Metallschmelzen optimale Eigenschaften auf. Insbesondere kann der Kontaktwinkel zwischen der aluminiumhaltigen Metallschmelze und der aus Siliziumnitrid bestehenden Oberfläche verringert werden.
Bevorzugt weist die Düsenbohrung Abschnitte mit unterschiedlich großen Bohrungsdurchmessern auf, wobei vorzugsweise die Bohrungsdurchmesser in Richtung des Endes der Düsenbohrung kleiner werden. Der kleiner werdende Bohrungsdurchmesser unterstützt die Tropfenbildung und das Ablösen der Tropfen am Ende der Düsenbohrung. Zur Strömungsoptimierung innerhalb der Düsenbohrung wird vorgeschlagen, dass die Abschnitte mit unterschiedlichen Bohrungsdurchmessern über einen konisch geformten Abschnitt verbunden sind.
Der Düsenkörper ist vorteilhafterweise plattenförmig ausgebildet oder umfasst eine Düsenplatte. Die Plattenform erleichtert die Ausbildung der Düsenbohrung, da der die Bohrung aufweisende Bereich leicht zugänglich ist. Sofern der Düsenkörper mehrteilig ausgeführt ist und eine Düsenplatte umfasst, können die übrigen Teile des Düsenkörpers aus einem anderen Werkstoff als die
Düsenplatte gefertigt werden. Der Werkstoff kann somit der jeweiligen Funktion eines Teils des Düsenkörpers angepasst werden.
Beispielsweise kann der Düsenkörper einen Hohlzylinder zur radialen
Begrenzung des Kompressionsraums umfassen. Der Hohlzylinder kann somit zugleich zur Führung des hin- und herbeweglichen Kolbens eingesetzt werden. Der Hohlzylinder ist daher bevorzugt aus einem Werkstoff gefertigt, der besonders verschleißfest ist.
Sofern der Düsenkörper mehrteilig ausgeführt ist und eine Düsenplatte und einen Hohlzylinder umfasst, sind die Düsenplatte und der Hohlzylinder bevorzugt mittels einer Düsenspannmutter verbunden. Mittels der Düsenspannmutter können die beiden Teile miteinander verspannt werden. Durch Verspannen der beiden Teile des Düsenkörpers können hohe Dichtkräfte erzielt werden, so dass sichergestellt ist, dass keine Metallschmelze zwischen den beiden Teilen nach außen tritt.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der hin- und herbewegliche Kolben der
Vorrichtung mit einem Aktor, vorzugsweise mit einem Magnet- oder Piezoaktor, wirkverbunden ist. Mit Hilfe des Aktors kann der Kolben hin- und herbewegt werden. Vorzugsweise kommt ein Piezoaktor zum Einsatz, da dieser kurze schnelle Bewegungen zur Erzeugung schnell aufeinander folgender Druckpulse ermöglicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 2 eine schematische Zeichnung einer metallophoben Struktur,
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der metallophoben Struktur und Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der metallophoben Struktur.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze umfasst einen mehrteilig ausgeführten Düsenkörper 4, der ein plattenförmiges Teil bzw. eine Düsenplatte 12 umfasst. Die Düsenplatte 12 ist mittels einer Düsenspannmutter 10 mit einem Hohlzylinder 9 verbunden, d. h. axial verspannt, in dem ein hin- und herbeweglicher Kolben 3 aufgenommen ist. Der Kolben 3, der Hohlzylinder 9 und die Düsenplatte 12 begrenzen gemeinsam einen Kompressionsraum 2, der mit einer Metallschmelze 1 befüllbar ist.
Die Vorrichtung umfasst ferner einen Aktor (nicht dargestellt) mit dessen Hilfe der Kolben 3 hin- und herbewegbar ist. Dabei taucht der Kolben 3 in den
Kompressionsraum 2 ein oder zieht sich aus diesem zurück. Auf diese Weise werden Druckwellen bzw. Druckpulse erzeugt, welche die Metallschmelze 1 in eine Düsenbohrung 5 der Düsenplatte 12 drücken, so dass diese über die Düsenbohrung 5 in Form einzelner Tropfen 11 ausgetragen wird.
Um sicherzustellen, dass sich die Tropfen 11 jeweils erst am Ende der
Düsenbohrung 5 und nicht bereits innerhalb der Düsenbohrung 5 ablösen, weist die Düsenplatte 12 im Bereich der Düsenbohrung 5 eine Beschichtung 6 aus einem metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff auf. Der aluphile
Werkstoff verbessert die Benetzungsfähigkeit der die Düsenbohrung 5 begrenzenden Oberflächen mit der aluminiumhaltigen Metallschmelze 1. Die Metallschmelze 1 neigt somit weniger dazu, sich nach der Erzeugung eines Tropfens 11 in den Kompressionsraum 2 zurückzuziehen, so dass die
Düsenbohrung 5 mit Metallschmelze 1 gefüllt bleibt und gleich der nächste Tropfen 11 ausgebildet werden kann.
Im Bereich 8 einer an die Düsenbohrung 5 angrenzenden Oberfläche 7, die auf der dem Kompressionsraum 2 abgewandten Seite der Düsenplatte 12 ausgebildet ist, weist die Oberfläche 7 eine metallophope, insbesondere aluphobe Struktur 18 auf. Die aluphobe Struktur 8 wiederum unterstützt das Ablösen der Tropfen 11 am Ende der Düsenbohrung 5, in Strömungsrichtung der Metallschmelze 1 gesehen. Die Oberfläche 7 bildet die Düsenplattenunterseite 7 aus.
Das endseitige Ablösen der Tropfen 11 wird bei der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ferner dadurch gefördert, dass die in der Düsenplatte 12
ausgebildete Düsenbohrung 5 Abschnitte 5.1, 5.2 mit unterschiedlich großen Bohrungsdurchmessern besitzt, die über einen konisch geformten Abschnitt 5.3 verbunden sind. Auf diese Weise wird eine sich in Strömungsrichtung zum Ende hin verjüngende Düsenbohrung 5 geschaffen, die ein endseitiges Ablösen der Tropfen 11 unterstützt.
Mit Hilfe der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung lassen sich somit Tropfen 11 aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze 1 ausbilden, die eine definierte Größe aufweisen und exakt positioniert werden können, da sie nach dem
Ablösen nicht abgelenkt werden, sondern senkrecht nach unten fallen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Zeichnung einer metallophope, insbesondere aluphoben Struktur 18, wobei die Struktur 18 eine heterogene Oberflächentextur 20 aufweist, die den sogenannten Lotuseffekt begünstigt. Die heterogene Oberflächentextur 20 bildet eine poröse Struktur 18 aus, auf der sich ein Tropfen 11 ausbildet.
Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der metallophopen, insbesondere aluphoben Struktur 18, wobei die Struktur 18 nadel- oder stelzenförmig ausgebildet ist und ringförmig um die Düsenbohrung 5 angeordnet ist. Die Struktur 18 ist als Blütenstruktur ausgebildet. Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der metallophopen, insbesondere aluphoben Struktur 18, wobei die Struktur 18 nadel- oder stelzenförmig ausgebildet ist und rechteckig um die Düsenbohrung 5 angeordnet ist. Die Struktur 18 ist als Schachbrettmuster ausgebildet.
Die erfindungsgemäßen Strukturen 18 können mittels Verdampfen oder Abtragen von keramischem Material z.B. durch einen Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) um die Düsenbohrung 5 herum ausgebildet werden. Der Zielzustand ist für alle Ausführungsbeispiele eine heterogene Oberflächentextur 20, die den
sogenannten Lotuseffekt begünstigt.
Für Düsenbohrungen 5 mit einem Durchmesser von vorzugsweise 300 bis 500 pm, sind aluphobe Strukturen 18 mit Löcher von beispielsweise 10-20 pm zu bevorzugen. Die Mittelpunkte der Löcher zueinander, haben vorzugsweise Abstände von der gleichen Größe. Zur Erreichung der Struktur 18 des zweiten Ausführungsbeispiels in Fig. 4 ist beispielsweise beim Durchlaufen zweier Schleifen, welche Zeilen und Spalten um das Loch herum beschreiben, dann ein Loch einzubringen, wenn die Summe aus Zeile und Spalte ungerade ist. Für die Struktur 18 des ersten Ausführungsbeispiels aus Fig. 2 sind die Löcher in Form einer Fibonacci-Spirale einzubringen.
Die Struktur 18 ist für alle Ausführungsbeispiele lediglich in unmittelbarer Umgebung der Düsenbohrung 5 anzubringen, da nur dort ein axialsymmetrischer Abriss des Tropfens 11 gestört werden könnte, indem der austretende Tropfen 11 an der Düsenplattenunterseite 7 anhaftet. Eine zu bevorzugende Abdeckung der unmittelbaren Umgebung der Düsenbohrung 5 ist beispielsweise der zwei- bis dreifache Durchmesser der Düsenbohrung 5.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen
Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze (1), insbesondere einer Aluminiumschmelze, umfassend einen die Metallschmelze (1) aufnehmenden Kompressionsraum (2), der durch einen hin- und her beweglichen Kolben (3) und durch einen Düsenkörper (4) mit einer Düsenbohrung (5) zur topfenförmigen Abgabe der Metallschmelze (1) begrenzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (4) zumindest im Bereich (8) einer an die Düsenbohrung (5) angrenzenden Oberfläche (7), die auf der dem Kompressionsraum (2) abgewandten Seite angeordnet ist, eine metallophope, insbesondere eine aluphobe Struktur (18) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) aus einer porösen Struktur (18) gebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (8) aus einer nadel- oder stelzenförmigen Struktur (18) gebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (4) zumindest im Bereich der Düsenbohrung (5) aus einem metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff gefertigt ist oder eine Beschichtung (6) mit einem metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (4) plattenförmig ausgebildet ist oder eine Düsenplatte (12) umfasst.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (4) einen Hohlzylinder (9) zur radialen Begrenzung des Kompressionsraums (2) umfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenplatte (12) und der Hohlzylinder (9) mittels einer Düsenspannmutter (10) verbunden sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der hin- und herbewegliche Kolben (3) mit einem Aktor, vorzugsweise mit einem Magnet- oder Piezoaktor, wirkverbunden ist.
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