WO2020169262A1 - Verfahren und vorrichtung zur generativen fertigung eines dreidimensionalen werkstücks aus einem flüssigen werkstoff - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur generativen fertigung eines dreidimensionalen werkstücks aus einem flüssigen werkstoff Download PDF

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WO2020169262A1
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pressure pulse
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Eberhard Maier
Roland Bleher
Peter Voehringer
Gregor Kron
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Robert Bosch Gmbh
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    • B05B1/08—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape of pulsating nature, e.g. delivering liquid in successive separate quantities ; Fluidic oscillators
    • B05B1/083—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape of pulsating nature, e.g. delivering liquid in successive separate quantities ; Fluidic oscillators the pulsating mechanism comprising movable parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C64/209—Heads; Nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/0006—Spraying by means of explosions

Definitions

  • the present invention relates to a method for the generative production of a three-dimensional workpiece from a liquid, in particular liquefied, material according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a device for performing the method with the features of claim 9.
  • Additive manufacturing processes include, in particular, 3D printing, in which liquid or solid materials are built up in layers to form a three-dimensional workpiece.
  • 3D printing in which liquid or solid materials are built up in layers to form a three-dimensional workpiece.
  • a method and a device for 3D printing are proposed in particular, although only liquid or liquefied materials are to be used.
  • the published patent application DE 10 2015 206 813 A1 shows an example of a device for applying a fluid to a workpiece carrier
  • the device comprises an actuator device, by means of which a
  • volume of the reservoir can be reduced in order to generate a pressure wave.
  • the pressure wave has the effect that at least part of the fluid received in the reservoir is discharged 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 elastically deformable.
  • the actuator device comprises a movable piston, by means of which the elastic deformation of the membrane can be brought about when an eddy current actuator or a magnetic actuator is actuated.
  • the present invention is based on the object of specifying a method and a device for the generative production of a three-dimensional workpiece from a liquid or liquefied material, which make it possible to increase the drop frequency in order to increase the efficiency.
  • the three-dimensional workpiece made of a liquid, in particular liquefied, material.
  • the liquid material is by means of a
  • Pressure pulse which is generated with the aid of a piston that can be moved to and fro, is discharged via a nozzle in the form of a drop.
  • pressure pulses are accordingly generated both directly and indirectly using the physical effect of cavitation by means of the reciprocating piston.
  • the piston is moved in a highly dynamic manner or braked abruptly, so that local areas of depression or cavitation arise due to the inertia of the liquid material.
  • pressure pulses occur which, analogous to the pressure pulses generated directly, lead to an ejection of drops. Since each pressure pulse is accompanied by a drop ejection, the drop frequency can be increased in this way.
  • a piezo actuator that is operatively connected to the piston is preferably used to control the reciprocating movements of the piston.
  • the comparatively high force of the piezo actuator in particular compared to a magnetic actuator, enables very dynamic piston movements.
  • the piston can be accelerated up to 2000 g. This means that drops can be ejected with small movements or strokes of the piston. This proves to be an advantage especially when the
  • Drop frequency should be increased. Small strokes also require small amounts of charge, so that the power electronics can be less powerful. This also proves to be an advantage with regard to an increased drop frequency.
  • the piezo actuator is not charged or discharged continuously, but discontinuously with the same current intensity.
  • the piston Since the operative connection between the piezo actuator and the piston is usually a mechanically rigid connection, the piston reacts directly to the respective increase or decrease in charge. The piston can thus be accelerated or decelerated in a targeted manner. In this way, any movement progression can be made, for example to increase or decrease individual pressure pulses.
  • Piezo actuator charged with a charging current that is a maximum of 20 A.
  • An increase in the charge leads to an elongation of the piezo actuator and to a stroke of the piston that is operatively connected to the piezo actuator.
  • the stroke of the piston in turn generates a first pressure pulse.
  • Piezo actuator absorbed charges that are 10 pC to 700 pC. In this way, piston strokes from 1 pm to 50 pm can be generated.
  • a second pressure pulse can be implemented by abruptly braking the piston, so that the liquid material under the piston moves on due to the inertial forces and leads to the creation of a local cavitation area. If this collapses a little later, a occurs renewed pressure build-up or pressure pulse, also "water hammer" or
  • a new water hammer or pressure pulse is created in the cavitation area, which triggers another drop.
  • Discharge cycle of the piezo actuator at least two, preferably three
  • Pressure pulses generated preferably each pressure pulse to one
  • Droplet ejection leads over the nozzle. Only a pressure pulse is generated directly by the piston. Physical effects, in particular the cavitation or water hammer effect, are used to generate the at least one further pressure pulse.
  • only one pressure pulse can be generated, in which case the one pressure pulse is preferably generated directly by the piston.
  • the piston is accelerated dynamically so that pressure is built up and the desired pressure pulse is generated. Then the piston is slowly braked, so to speak asymptotically approached the bottom dead center of the piston, and then into a slowly accelerating one
  • the piston generates a pressure increase and thus a pressure pulse in the liquid material, which is a quasi-static pressure of at least 3 bar.
  • the piston is preferably accelerated from its top dead center position in a highly dynamic manner, so that the piston movement generates the pressure pulse directly.
  • a device which comprises a reciprocating piston that delimits a compression space that can be filled with a liquid material and is operatively connected to a piezo actuator.
  • the device further comprises a nozzle which is arranged coaxially to the piston and via which the liquid material can be discharged in the form of drops.
  • the piezo actuator enables a high force and therefore highly dynamic movements of the piston to generate a pressure pulse.
  • the highly dynamic movements of the piston in connection with the inertia of the liquid material can take advantage of the cavitation or
  • Water hammer effect can be used to generate further pressure pulses. In this way, the drop frequency can be increased.
  • the compression space is connected to a reservoir for the liquid material via a radial gap between the piston and a piston guide.
  • Drop ejection can flow through the gap from liquid material from the reservoir into the compression space, which favors a high drop frequency.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a device according to the invention for the generative production of a three-dimensional workpiece from a liquid material
  • FIG. 2 diagrams for the graphic representation of a typical
  • Fig. 1 is an example of a preferred embodiment
  • the device is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the device shown here is a 3D printer or a print head of a 3D printer.
  • the device shown comprises a piston 1 received in a housing 10 such that it can move back and forth and delimits a compression space 2.
  • the compression chamber 2 is coated with a liquid material, e.g. B. with an aluminum melt, filled or fillable.
  • the compression chamber 2 is this via a radial gap 5 between the piston 1 and a
  • Piston guide 6 connected to a reservoir 7 for the liquid material.
  • the reservoir 7 is filled with the melt via a filler neck 9.
  • a nozzle 4 through which the liquid material can be discharged in the form of discrete drops 8 is attached to the housing 10.
  • a pressure pulse is generated in the compression chamber 2 which leads to a drop being ejected.
  • the pressure pulse is in turn caused by a highly dynamic movement of the piston 1 in the direction of the nozzle 4.
  • the piston movement is initiated by means of a piezo actuator 3 which is operatively connected to the piston 1 via a piston rod 11. When the piezo actuator 3 is energized, it elongates so that the piston 1 dips deeper into the compression chamber 2. This leads to the formation of a pressure pulse.
  • At least one further pressure pulse can be generated using the cavitation or water hammer effect.
  • the piezo actuator 3 is charged for this purpose, in the present case at approximately 700 pC (see FIG. 2a).
  • the piston 1 leads accordingly a first large stroke (see Fig. 2b), which leads to a first pressure pulse (A) in the compression chamber 2 (see Fig. 2c).
  • a second pressure pulse (B) results from a water hammer effect when the piston 1 is braked abruptly and the liquid material continues to move under the piston 1 due to its inertia.
  • a negative pressure area arises and then disintegrates again, which leads to the second pressure pulse (B).
  • the piezo actuator 3 is finally discharged, the piston 1 retracts again, namely so quickly that liquid material cannot flow through the gap 5 quickly enough.
  • a negative pressure area arises under the piston 1, which when it decays generates a third pressure pulse (C).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff, bei dem der flüssige Werkstoff mittels eines Druckpulses, der mit Hilfe eines hin- und herbeweglichen Kolbens (1) erzeugt wird, über eine Düse (4) in Form eines Tropfens (8) ausgetragen wird. Erfindungsgemäß werden über die Hin- und Herbewegungendes Kolbens (1) Gasblasen im flüssigen Werkstoff erzeugt, die Gasblasenwerden zur Implosion gebracht und ein bei der Implosion der Gasblasen entstehender Druckpuls wird zum Austragen des flüssigen Werkstoffs genutzt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren und Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen
Werkstücks aus einem flüssigen Werkstoff
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Zu den generativen Fertigungsverfahren zählt insbesondere das 3D-Drucken, bei dem flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut werden. Vorliegend werden daher insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum 3D-Drucken vorgeschlagen, wobei jedoch ausschließlich flüssige bzw. verflüssigte Werkstoffe zum Einsatz gelangen sollen.
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.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen bzw. verflüssigten Werkstoff anzugeben, die eine Erhöhung der Tropfenfrequenz zur Steigerung des Wirkungsgrads ermöglichen.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur generativen Fertigung eines
dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff. Bei dem Verfahren wird der flüssige Werkstoff mittels eines
Druckpulses, der mit Hilfe eines hin- und herbeweglichen Kolbens erzeugt wird, über eine Düse in Form eines Tropfens ausgetragen. Erfindungsgemäß werden über die Hin- und Herbewegungen des Kolbens Gasblasen im flüssigen
Werkstoff erzeugt, die Gasblasen werden zur Implosion gebracht und ein bei der Implosion der Gasblasen entstehender (weiterer) Druckpuls wird zum Austragen des flüssigen Werkstoffs genutzt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden demnach mittels des hin- und herbeweglichen Kolbens Druckpulse sowohl direkt, als auch indirekt unter Ausnutzung des physikalischen Effekts der Kavitation erzeugt. Der Kolben wird hierzu hochdynamisch bewegt bzw. abrupt abgebremst, so dass aufgrund der Trägheit des flüssigen Werkstoffs lokale Unterdrück- bzw. Kavitationsgebiete entstehen. Beim Zerfall der Kavitationsgebiete treten Druckpulse auf, die analog den direkt erzeugten Druckpulsen zu einem Tropfenausstoß führen. Da jeder Druckpuls mit einem Tropfenausstoß einhergeht, kann auf diese Weise die Tropfenfrequenz erhöht werden. Bevorzugt wird ein mit dem Kolben wirkverbundener Piezoaktor zur Steuerung der Hin- und Herbewegungen des Kolbens verwendet. Die vergleichsweise hohe Kraft des Piezoaktors, insbesondere im Vergleich zu einem Magnetaktor, ermöglicht sehr dynamische Kolbenbewegungen. Beispielsweise kann der Kolben mit bis zu 2000 g beschleunigt werden. Das heißt, dass bereits mit kleinen Bewegungen bzw. Hüben des Kolbens Tropfen ausgestoßen werden können. Dies erweist sich insbesondere dann als Vorteil, wenn die
Tropfenfrequenz erhöht werden soll. Kleine Hübe erfordern zudem geringe Ladungsmengen, so dass die Leistungselektronik weniger leistungsstark ausfallen kann. Auch dies erweist sich als Vorteil im Hinblick auf eine gesteigerte Tropfenfrequenz.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Piezoaktor nicht kontinuierlich, sondern diskontinuierlich mit gleicher Stromstärke geladen oder entladen wird.
Da die Wirkverbindung zwischen dem Piezoaktor und dem Kolben in der Regel eine mechanisch steife Verbindung ist, reagiert der Kolben direkt auf die jeweilige Ladungszunahme bzw. -abnahme. Der Kolben kann somit gezielt beschleunigt oder abgebremst werden. Auf diese Weise können beliebige Bewegungsverläufe gefahren werden, um beispielsweise einzelne Druckpulse zu verstärken oder abzuschwächen.
Bevorzugt wird zur (direkten) Erzeugung eines ersten Druckpulses der
Piezoaktor mit einem Ladestrom geladen, der maximal 20 A beträgt. Die
Ladungszunahme führt zu einer Längung des Piezoaktors und zu einem Hub des mit dem Piezoaktor wirkverbundenen Kolbens. Der Hub des Kolbens wiederum generiert einen ersten Druckpuls.
Bei der Durchführung des Verfahrens werden vorzugsweise durch den
Piezoaktor Ladungen aufgenommen, die 10 pC bis 700 pC betragen. Auf diese Weise können Kolbenhübe von 1 pm bis 50 pm erzeugt werden.
Ein zweiter Druckpuls kann durch abruptes Abbremsen des Kolbens realisiert werden, so dass sich der unter dem Kolben befindliche flüssige Werkstoff aufgrund der Trägheitskräfte weiterbewegt und zur Entstehung eines lokalen Kavitationsgebiets führt. Fällt dieses wenig später in sich zusammen, entsteht ein erneuter Druckaufbau bzw. Druckpuls, auch„Wasserschlag“ oder
„Wasserschlageffekt“ genannt, der zum Austrag eines Tropfens führt.
Wird anschließend der Kolben hochdynamisch zurückgezogen, entsteht aufgrund der Trägheit des flüssigen Werkstoffs unter dem Kolben erneut ein lokales Unterdrück- bzw. Kavitationsgebiet. Denn der Unterdrück, der nahezu Null bar absolut betragen kann, wird durch den nachfließenden flüssigen Werkstoff nicht schnell genug ausgeglichen. Zerfällt anschließend das Unterdrück- bzw.
Kavitationsgebiet entsteht ein erneuter Wasserschlag bzw. Druckpuls, der einen weiteren Tropfen auslöst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden demnach über die Hin- und Herbewegungen des Kolbens während eines Ladungs- und
Entladungszyklus des Piezoaktors mindestens zwei, vorzugsweise drei
Druckpulse erzeugt, wobei vorzugsweise jeder Druckpuls zu einem
Tropfenausstoß über die Düse führt. Lediglich ein Druckpuls wird dabei direkt durch den Kolben erzeugt. Zur Erzeugung des wenigstens einen weiteren Druckpulses werden physikalische Effekte, insbesondere der Kavitations- bzw. Wasserschlageffekt, genutzt.
Darüber hinaus kann auch nur ein Druckpuls erzeugt werden, wobei in diesem Fall der eine Druckpuls bevorzugt direkt durch den Kolben erzeugt wird. Der Kolben wird hierzu dynamisch beschleunigt, so dass Druck aufgebaut und der gewünschte Druckpuls erzeugt wird. Anschließend wird der Kolben langsam abgebremst, sozusagen asymptotisch der untere Totpunkt des Kolbens angefahren, um anschließend in eine langsam schneller werdende
Rückzugsbewegung des Kolbens überzugehen. Vor Erreichen des oberen Totpunkts wird der Kolben erneut langsam abgebremst. Aufgrund dieser „fließenden“ Übergänge werden weitere auf den Kavitations- oder
Wasserschlageffekt zurückzuführenden Druckpulse vermieden. Der Kolben muss sich lediglich so langsam bewegen, dass flüssiger Werkstoff ausreichend schnell nachfließen kann.
Vorzugsweise wird durch den Kolben ein Druckanstieg und damit Druckpuls im flüssigen Werkstoff erzeugt, der einem quasi statischen Druck von mindestens 3 bar entspricht. Zur Erzeugung eines entsprechenden Druckpulses wird vorzugsweise der Kolben aus seiner oberen Totpunktlage hochdynamisch beschleunigt, so dass die Kolbenbewegung den Druckpuls direkt erzeugt.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ferner eine
Vorrichtung vorgeschlagen, die einen hin- und herbeweglichen Kolben umfasst, der einen mit einem flüssigen Werkstoff befüllbaren Kompressionsraum begrenzt und mit einem Piezoaktor wirkverbunden ist. Die Vorrichtung umfasst ferner eine koaxial zum Kolben angeordnete Düse, über welche der flüssige Werkstoff in Tropfenform austragbar ist. Der Piezoaktor ermöglicht eine hohe Kraft und damit hochdynamische Bewegungen des Kolbens zur Erzeugung eines Druckpulses. Die hochdynamischen Bewegungen des Kolbens in Verbindung mit der Trägheit des flüssigen Werkstoffs können unter Ausnutzung des Kavitations- bzw.
Wasserschlageffekts zur Erzeugung weiterer Druckpulse eingesetzt werden. Auf diese Weise kann die Tropfenfrequenz erhöht werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Kompressionsraum über einen radialen Spalt zwischen dem Kolben und einer Kolbenführung mit einem Reservoir für den flüssigen Werkstoff verbunden ist. Nach jedem
Tropfenausstoß kann über den Spalt flüssiger Werkstoff aus dem Reservoir in den Kompressionsraum nachfließen, was eine hohe Tropfenfrequenz begünstigt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen Werkstoff und
Fig. 2 Diagramme zur graphischen Darstellung eines typischen
Ladekurvenverlaufs (a), eines Kolbenhubverlaufs (b) und eines Druckverlaufs im Kompressionsraum (c). Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der Fig. 1 ist beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur generativen Fertigung eines
dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten Werkstoff zu entnehmen. Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Bei der dargestellten Vorrichtung handelt es sich vorliegend um einen 3D-Drucker bzw. um einen Druckkopf eines 3 D- Druckers.
Die dargestellte Vorrichtung umfasst einen in einem Gehäuse 10 hin- und herbeweglich aufgenommenen Kolben 1, der einen Kompressionsraum 2 begrenzt. Der Kompressionsraum 2 ist mit einem flüssigen Werkstoff, z. B. mit einer Aluminiumschmelze, befüllt bzw. befüllbar. Der Kompressionsraum 2 ist hierzu über einen radialen Spalt 5 zwischen dem Kolben 1 und einer
Kolbenführung 6 mit einem Reservoir 7 für den flüssigen Werkstoff verbunden. Über einen Füllstutzen 9 wird das Reservoir 7 mit der Schmelze befüllt.
An das Gehäuse 10 ist eine Düse 4 angesetzt, über die der flüssige Werkstoff in Form diskreter Tropfen 8 austragbar ist. Zum Austragen eines Tropfens 8 wird im Kompressionsraum 2 ein Druckpuls erzeugt, der zu einem Tropfenausstoß führt. Der Druckpuls wiederum wird durch eine hochdynamische Bewegung des Kolbens 1 in Richtung der Düse 4 bewirkt. Die Kolbenbewegung wird mittels eines Piezoaktors 3 initiiert, der mit dem Kolben 1 über eine Kolbenstange 11 wirkverbunden ist. Bei einer Bestromung des Piezoaktors 3 längt sich dieser, so dass der Kolben 1 tiefer in den Kompressionsraum 2 eintaucht. Dies führt zur Ausbildung eines Druckpulses.
Darüber hinaus kann während einer einzigen Ladungs- und Entladungsperiode des Piezoaktors 3 mindestens ein weiterer Druckpuls unter Ausnutzung des Kavitations- bzw. Wasserschlageffekts generiert werden.
Wie schematisch in der Fig. 2 dargestellt wird hierzu der Piezoaktor 3 geladen, vorliegend mit etwa 700 pC (siehe Fig. 2a). Entsprechend führt der Kolben 1 einen ersten großen Hub aus (siehe Fig. 2b), was zu einem ersten Druckpuls (A) im Kompressionsraum 2 führt (siehe Fig. 2c). Ein zweiter Druckpuls (B) resultiert aus einem Wasserschlageffekt, wenn der Kolben 1 abrupt abgebremst wird und sich der flüssige Werkstoff aufgrund seiner Trägheit unter dem Kolben 1 weiterbewegt. Ein Unterdruckgebiet entsteht und zerfällt anschließend wieder, was zu dem zweiten Druckpuls (B) führt. Wird der Piezoaktor 3 schließlich entladen, fährt der Kolben 1 wieder ein, und zwar so schnell, dass flüssiger Werkstoff nicht ausreichend schnell über den Spalt 5 nachfließen kann. Erneut entsteht unter dem Kolben 1 ein Unterdruckgebiet, das mit seinem Zerfall einen dritten Druckpuls (C) erzeugt.
Auf diese Weise werden physikalische Effekte zur (indirekten) Erzeugung von Druckpulsen genutzt, wobei die Anzahl der Druckpulse während eines Ladungs und Entladungszyklus des Piezoaktors 3 variiert werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen
Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff, bei dem der flüssige Werkstoff mittels eines Druckpulses, der mit Hilfe eines hin- und herbeweglichen Kolbens (1) erzeugt wird, über eine Düse (4) in Form eines Tropfens (8) ausgetragen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass über die Hin- und Herbewegungen des
Kolbens (1) Gasblasen im flüssigen Werkstoff erzeugt werden, die Gasblasen zur Implosion gebracht werden und ein bei der Implosion der Gasblasen
entstehender Druckpuls zum Austragen des flüssigen Werkstoffs genutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Kolben (1) wirkverbundener Piezoaktor (3) zur Steuerung der Hin- und Herbewegungen des Kolbens (1) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (3) diskontinuierlich mit gleicher Stromstärke geladen oder entladen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (3) mit einem Ladestrom geladen wird, der maximal 20 A beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass durch den Piezoaktor (3) Ladungen
aufgenommen werden, die 10 pC bis 700 pC betragen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass Kolbenhübe von 1 pm bis 50 pm erzeugt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass über die Hin- und Herbewegungen des
Kolbens (1) während eines Ladungs- und Entladungszyklus des Piezoaktors (3) mindestens zwei, vorzugsweise drei Druckpulse erzeugt werden, wobei vorzugsweise jeder Druckpuls zu einem Tropfenausstoß über die Düse (4) führt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass über die Hin- und Herbewegungen des
Kolbens (1) Druckpulse im flüssigen Werkstoff erzeugt werden, die einem quasi statischen Druck von mindestens 3 bar entsprechen.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen hin- und herbeweglichen
Kolben (1), der einen mit einem flüssigen Werkstoff befüllbaren
Kompressionsraum (2) begrenzt und mit einem Piezoaktor (3) wirkverbunden ist, ferner umfassend eine koaxial zum Kolben (1) angeordnete Düse (4), über welche der flüssige Werkstoff in Tropfenform austragbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressionsraum (2) über einen radialen Spalt (5) zwischen dem Kolben (1) und einer Kolbenführung (6) mit einem Reservoir (7) für den flüssigen Werkstoff verbunden ist.
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