WO2020200551A1 - Verfahren und vorrichtung zur generativen fertigung eines dreidimensionalen werkstücks aus einer schmelze - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur generativen fertigung eines dreidimensionalen werkstücks aus einer schmelze Download PDF

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WO2020200551A1
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melt
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Eberhard Maier
Roland Bleher
Peter Voehringer
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece from a melt, in particular
  • Metal melt according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a device for carrying out the method.
  • 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, although only liquid, namely liquefied materials or melts are to be used.
  • the laid-open specification DE 10 2016 224 047 A1 shows, for example, a print head for a 3D printer, in particular a metal printer, which has a reservoir designed in a housing for receiving the metal.
  • the reservoir includes a melting area and a
  • Compression space for the molten or liquefied metal the melting area and the compression space being connected in such a way that the displacement of a piston stimulates the liquefied metal to pass through an outlet opening.
  • the liquefied metal is discharged in the form of drops.
  • 3-D printing processes that use print heads of the type mentioned above are also called “drop-on-demand” processes.
  • the drop ejection is heavily dependent on how much of the compressible medium is present in the compression space. Possibly. there is so much gas or air in the compression chamber that not even enough pressure can be built up to force the melt through the injection hole.
  • the gas or air either reaches the compression chamber via the injection hole during operation, which means that there is a malfunction.
  • the gas or air can, however, also be a residual amount that is already present in the compression chamber and that was not completely displaced when the compression chamber was filled with the melt. The reason for this can be small corners and / or undercuts, whereby the wettability of the adjacent surfaces also plays a role.
  • the present invention is based on the problem of the reproducibility of the drop formation in the generative production of a three-dimensional
  • the melt is fed to a compression chamber and by means of a pressure pulse, which with the help of a compression chamber
  • the compression space is degassed before production begins and / or during a production break.
  • ultrasonic waves are coupled into the melt present in the compression space , which generate a force F ßjrk , which leads to the gas present in the melt initially sinking.
  • the piston is pulled out of the compression chamber and held in this position so that the gas rising after it has dropped can escape via an annular gap between the piston and a guide of the piston.
  • the compression chamber is degassed in the method according to the invention before the start of production and / or during a production break, the compression chamber is at least approximately free of highly compressible media, such as air. This ensures that, on the one hand, the pressure required to discharge the melt can be built up in the compression space and, on the other hand, that constant droplet sizes are produced. This means that the required reproducibility of the drop formation is given.
  • ultrasonic waves i.e. high-frequency vibrations
  • different forces act on a gas bubble trapped in the melt, which together lead to the gas bubble initially sinking. This means that it is approaching the injection hole. If the ultrasonic excitation is then terminated, the gas bubble rises, moving from the injection hole in the direction of the piston.
  • the sinking of the gas bubble during the ultrasonic excitation is due in particular to a force F ßjrk ("Bjerkn es force"). If the ultrasound When the excitation is ended, this force disappears and a buoyancy force F BUO (“buoyancy force”) finally causes the gas bubble to rise in the melt.
  • F ßjrk Bjerkn es force
  • the ultrasonic waves are preferably coupled into the melt with the aid of the reciprocating piston.
  • the piston is set in a high-frequency oscillation, preferably in an oscillation of about 20 kHz or more.
  • the piston can experience an acceleration of 2,000 g or more.
  • the piston be set in vibration and / or moved back and forth with the aid of an actuator, for example with the aid of a magnetostrictive, piezoceramic and / or magnetic actuator. If the actuator is only used to move the piston back and forth, in particular to implement macroscopic piston strokes, any desired actuator can be selected.
  • a piezoceramic actuator is preferably used to implement high-frequency piston oscillation, since it enables particularly small strokes and high forces at the same time.
  • the piston is in a first step before the coupling of the ultrasonic waves from the
  • the piston remains immersed in the melt during the entire degassing process so that when the piston is reintroduced into the compression chamber, no slag, which usually forms on the surface of the melt, in particular molten metal, is pressed into the compression chamber. Because the piston is surrounded by melt during the entire degassing process, it can still be used to couple ultrasonic waves into the melt.
  • the piston is pulled out of the compression space in a second step after the coupling of the ultrasonic waves. While coupling the
  • the piston When the piston is pulled out of the compression chamber from a working position, it is preferably transferred into a degassing position in which the piston is still surrounded by melt at least in the region of a tip.
  • the melt surrounding the piston is preferably in one above the
  • Compression chamber arranged reservoir added. For this Reservoir, fresh melt can be continuously fed into the compression chamber.
  • the piston has a tip which is conically shaped at least in sections to delimit the compression space. This means that the tip can in particular be shaped like a cone or a truncated cone.
  • the at least partially conically shaped tip of the piston forms a constantly increasing annular gap between the piston and the guide of the piston when the piston is pulled out of the compression chamber. The tip thus encourages the gas bubbles to rise when the piston is pulled out of the compression chamber. Furthermore, the tip enables a slow piston movement, so that the risk is reduced that when the piston is pulled out, there is an undesired intake of gas through the injection hole.
  • the actuator is preferably a piezoceramic actuator with the aid of which the piston can be set into high-frequency oscillation and can also be moved back and forth.
  • only one actuator has to be provided or the device does not have to be expanded by an additional actuator in order to carry out the method according to the invention for degassing the compression chamber.
  • the actuator is preferably capable of high frequencies, so that the piston can be set in high-frequency oscillations> 20 KHz with the aid of the actuator.
  • the piston is advantageously made of ceramic and thus has a high level of strength.
  • the connection of the piston to the actuator is preferably via made a piston rod.
  • the piston rod can be formed in one piece with the piston. This means that in this case the piston rod is also made of ceramic.
  • the piston rod can also be a
  • the piston rod can be made in one or more parts.
  • connection between the piston and the actuator must be sufficiently rigid to be able to set the piston in high-frequency oscillation.
  • extra strong restoring springs can be provided which preload the piston against the actuator. So that the high positive and negative accelerations do not lead to impermissible stresses in the piston, it should be ensured that only compressive stresses and no tensile stresses are introduced into the ceramic. Furthermore, sharp edges, especially a thread, should be used in the
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a device according to the invention for the generative production of a three-dimensional workpiece from a melt
  • FIGS. 1 and 2 shows an enlarged section of FIGS. 1 and
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the forces which act on a gas bubble within a liquid.
  • Figures 1 and 2 is an example of a preferred embodiment of a device according to the invention for the generative production of a
  • the device is a 3D printer or a print head of a 3D printer.
  • Components of the device are a reciprocating piston 3 which delimits a compression space 2.
  • the compression space 2 is filled with the melt 1.
  • the back and forth movements of the piston 3 generate pressure pulses which lead to part of the melt 1 being discharged via an injection hole 4 which is formed in a ceramic body 8 delimiting the compression space 2.
  • the ceramic body 8 which is in the form of a plate in the present case, is connected via a clamping sleeve 14 to a hollow cylindrical housing part 15 which delimits the compression space 2 in the radial direction and at the same time forms a guide 5 for the piston 3.
  • the spray hole 4 formed in the ceramic body 8 has a diameter D which is smaller than 500 ⁇ m. This means that a clear pressure pulse is required to push the melt 1 through the narrow injection hole 4.
  • the pressure pulse is generated with the aid of the piston 3, which for this purpose is connected to a piezoceramic actuator 6 via a one-part or multi-part piston rod 11.
  • the piston rod 11 and the piston 3 are pretensioned against the actuator 6 via at least one spring 12.
  • the piston 3 and piston rod 11 can also be designed as a full piston (not shown).
  • Compression chamber 2 is degassed.
  • the piston 3 is first set into high-frequency oscillation, via which ultrasonic waves are coupled into the melt 1.
  • the melt 1 transmits the vibrations to the enclosed gas, so that this sinks as a gas bubble 10 or gas bubbles 10 in the melt 1.
  • the sinking is due to a force F ßjrk , which acts on the gas bubble, in the opposite direction to a lift force FB ou .
  • the withdrawn piston 3 enables the gas bubbles 10 to rise from the compression space 2 into a reservoir 13 which is arranged above the compression space 2 and which is at least partially also filled with melt 1.
  • the gas bubbles 10 are discharged via an annular gap 7 which is formed between the piston 3 and the guide 5 when the piston 3 is pulled out of the compression chamber 2. Since the piston 3 in the present case has a conically shaped tip 9, the annular gap 7 increases in size
  • buoyancy force FB OU (“buoyancy force”) acts, which without ultrasound excitation would lead to the gas bubble 10 rising in the liquid.
  • a force FD (“drag force”) and a force F ßjrk (“Bjerknes force”) act opposite to the buoyancy force FB ou , the are together greater than the buoyancy force F BOU , so that the gas bubble 10 sinks in the liquid.
  • the present invention makes use of this phenomenon, with only the buoyancy force F BOU being used for the final discharge of the gas bubbles 10 from the compression space 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer Schmelze (1), insbesondere Metallschmelze, bei dem die Schmelze (1) einem Kompressionsraum (2) zugeführt und mittels eines Druckpulses, der mit Hilfe eines den Kompressionsraum (2) begrenzenden hin- und herbeweglichen Kolbens (3) erzeugt wird, über ein Spritzloch (4) in Tropfenform ausgetragen wird. Erfindungsgemäß wird vor Fertigungsbeginn und/oder in einer Fertigungspause der Kompressionsraum (2) entgast, wobei Ultraschallwellen in die im Kompressionsraum (2) vorhandene Schmelze (1) eingekoppelt werden, welche eine Kraft (FBjrk) erzeugen, die dazu führt, dass das in der Schmelze (1) vorhandene Gas zunächst absinkt, und wobei der Kolben (3) aus dem Kompressionsraum (2) herausgezogen und in dieser Position gehalten wird, so dass das nach dem Absinken aufsteigende Gas über einen Ringspalt (7) zwischen dem Kolben (3) und einer Führung (5) des Kolbens (3) entweichen kann. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren und Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen
Werkstücks aus einer Schmelze
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer Schmelze, insbesondere
Metallschmelze, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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, und zwar verflüssigte Werkstoffe bzw. Schmelzen zum Einsatz gelangen sollen.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2016 224 047 Al geht beispielhaft ein Druckkopf für einen 3D-Drucker, insbesondere einen Metalldrucker, hervor, der ein in einem Gehäuse ausgebildetes Reservoir zur Aufnahme des Metalls aufweist. Das Reservoir umfasst einen Schmelzbereich und einen
Kompressionsraum für das geschmolzene bzw. verflüssigte Metall, wobei der Schmelzbereich und der Kompressionsraum derart verbunden sind, dass durch die Verschiebung eines Kolbens das verflüssigte Metall zum Durchtritt durch eine Austrittsöffnung angeregt wird. Das verflüssigte Metall wird dabei in Form von Tropfen ausgetragen. 3 D- Druckverfahren, die Druckköpfe der vorstehend genannten Art einsetzen, werden auch„Drop-on-Demand“-Verfahren genannt. Dabei stellt die
Reproduzierbarkeit der Tropfenbildung eine besondere Herausforderung dar.
Die Reproduzierbarkeit ist in der Regel nicht gegeben, wenn sich Gas, insbesondere Luft, im Kompressionsraum befindet, denn das Gas bzw. die Luft ist im Vergleich zur Schmelze sehr kompressibel. Da der Kolbenweg zum
Austragen der Schmelze in der Regel nur wenige Mikrometer oder sogar weniger als ein Mikrometer beträgt, ist der Tropfenausstoß stark davon abhängig, wieviel des kompressiblen Mediums im Kompressionsraum vorhanden ist. Ggf. ist so viel Gas bzw. Luft im Kompressionsraum vorhanden, dass nicht einmal genügend Druck aufgebaut werden kann, um die Schmelze durch das Spritzloch zu pressen. Das Gas bzw. die Luft gelangt entweder während des Betriebs über das Spritzloch in den Kompressionsraum, dann liegt eine Fehlfunktion vor. Bei dem Gas bzw. der Luft kann es sich aber auch um eine bereits im Kompressionsraum vorhandene Restmenge handeln, die beim Befüllen des Kompressionsraums mit der Schmelze nicht vollständig verdrängt worden ist. Grund hierfür können kleine Ecken und/oder Hinterstiche sein, wobei die Benetzbarkeit der angrenzenden Oberflächen ebenfalls eine Rolle spielt.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Reproduzierbarkeit der Tropfenbildung bei der generativen Fertigung eines dreidimensionalen
Werkstücks aus einer Schmelze, insbesondere Metallschmelze, zu verbessern.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur generativen Fertigung eines
dreidimensionalen Werkstücks aus einer Schmelze, insbesondere
Metallschmelze, wird die Schmelze einem Kompressionsraum zugeführt und mittels eines Druckpulses, der mit Hilfe eines den Kompressionsraum
begrenzenden hin- und herbeweglichen Kolbens erzeugt wird, über ein Spritzloch in Tropfenform ausgetragen. Erfindungsgemäß wird vor Fertigungsbeginn und/oder in einer Fertigungspause der Kompressionsraum entgast. Dabei werden Ultraschallwellen in die im Kompressionsraum vorhandene Schmelze eingekoppelt, welche eine Kraft Fßjrk erzeugen, die dazu führt, dass das in der Schmelze vorhandene Gas zunächst absinkt. Der Kolben wird dabei aus dem Kompressionsraum herausgezogen und in dieser Position gehalten, so dass das nach dem Absinken aufsteigende Gas über einen Ringspalt zwischen dem Kolben und einer Führung des Kolbens entweichen kann.
Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vor Fertigungsbeginn und/oder in einer Fertigungspause der Kompressionsraum entgast wird, ist der Kompressionsraum zumindest annähernd frei von stark kompressiblen Medien, wie beispielsweise Luft. Dadurch ist sichergestellt, dass zum einen der zum Austragen der Schmelze erforderliche Druck im Kompressionsraum aufgebaut werden kann und dass zum anderen gleichbleibende Tropfengrößen produziert werden. Das heißt, dass die geforderte Reproduzierbarkeit der Tropfenbildung gegeben ist.
Zum Entgasen des Kompressionsraums werden Ultraschallwellen, das heißt hochfrequente Schwingungen, in die Schmelze eingekoppelt. Diese überträgt die Schwingungen auf das in der Schmelze als Gasblase eingeschlossene und/oder an einer angrenzenden Oberfläche anhaftende Gas. Ist letzteres der Fall, wird das Gas über die Schwingungen zunächst von der Oberfläche gelöst, so dass sich eine in der Schmelze eingeschlossene Gasblase ausbildet. Auf eine in der Schmelze eingeschlossene Gasblase wirken während der Ultraschall-Anregung unterschiedliche Kräfte, die in der Summe dazu führen, dass die Gasblase zunächst absinkt. Das heißt, dass sie sich dem Spritzloch nähert. Wird anschließend die Ultraschall-Anregung beendet, steigt die Gasblase auf, wobei sie sich vom Spritzloch in Richtung des Kolbens bewegt.
Das Absinken der Gasblase während der Ultraschall-Anregung ist insbesondere auf eine Kraft Fßjrk („Bjerkn es force“) zurückzuführen. Wird die Ultraschall- Anregung beendet, fällt diese Kraft weg und eine Auftriebskraft FBUO („buoyancy force“) führt schließlich dazu, dass die Gasblase in der Schmelze aufsteigt.
Dadurch, dass beim Entgasen der Kolben aus dem Kompressionsraum herausgezogen und in dieser Position gehalten wird, kann das nach dem
Absinken aufsteigende Gas leicht aus dem Kompressionsraum entweichen.
Denn durch das Herausziehen des Kolbens wird ein Ringspalt zwischen dem Kolben und einer Führung des Kolbens ausgebildet, so dass sich das aufsteigende Gas nicht durch einen engen Führungsspalt zwischen dem Kolben und der Führung des Kolbens hindurchdrücken muss.
Durch das Herausziehen des Kolbens aus dem Kompressionsraum wird ferner die Gefahr verringert, dass während des Entgasungsprozesses Schmelze aus dem Spritzloch austritt. Denn bei herausgezogenem Kolben kann kein nennenswerter Druck bzw. Druckimpuls im Kompressionsraum aufgebaut werden. Die Ultraschall-Anregung allein führt in der Regel nicht zu einem unerwünschten Schmelzenausstoß.
Bevorzugt werden die Ultraschallwellen mit Hilfe des hin- und herbeweglichen Kolbens in die Schmelze eingekoppelt. Der Kolben wird hierzu in eine hochfrequente Schwingung versetzt, vorzugsweise in eine Schwingung von etwa 20 KHz oder mehr. Der Kolben kann dabei eine Beschleunigung von 2.000 g oder mehr erfahren.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Kolben mit Hilfe eines Aktors, beispielsweise mit Hilfe eines magnetostriktiven, piezokeramischen und/oder magnetischen Aktors, in Schwingung versetzt und/oder hin- und herbewegt wird. Sofern der Aktor lediglich dem Hin- und Herbewegen des Kolbens, insbesondere der Realisierung makroskopischer Kolbenhübe, dient, kann ein beliebiger Aktor gewählt werden. Zur Realisierung einer hochfrequenten Kolbenschwingung wird vorzugsweise ein piezokeramischer Aktor eingesetzt, da dieser besonders kleine Hübe und zugleich hohe Kräfte ermöglicht. Vorteilhafterweise werden das Hin- und Herbewegen des Kolbens zum Austragen der Schmelze durch das
Spritzloch während der Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks und die hochfrequenten Schwingungen des Kolbens zum Einkoppeln von Ultraschallwellen vor Beginn der Fertigung und/oder in einer Fertigungspause mit demselben Aktor bewirkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Kolben in einem ersten Schritt vor dem Einkoppeln der Ultraschallwellen aus dem
Kompressionsraum herausgezogen. Der Kolben bleibt dabei während des gesamten Entgasungsprozesses in die Schmelze eingetaucht, so dass beim Wiedereinführen des Kolbens in den Kompressionsraum keine Schlacke, die sich üblicherweise auf der Oberfläche der Schmelze, insbesondere Metallschmelze, ausbildet, in den Kompressionsraum gedrückt wird. Dadurch, dass der Kolben während des gesamten Entgasungsprozesses von Schmelze umgeben ist, kann er weiterhin zum Einkoppeln von Ultraschallwellen in die Schmelze genutzt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Kolben in einem zweiten Schritt nach dem Einkoppeln der Ultraschallwellen aus dem Kompressionsraum herausgezogen. Während des Einkoppelns der
Ultraschallwellen wird somit der Kompressionsraum weiterhin durch den Kolben begrenzt. Das heißt, dass weniger Masse in eine hochfrequente Schwingung versetzt werden muss. Nach der Ultraschall-Anregung wird dann der Kolben aus dem Kompressionsraum herausgezogen.
Der genaue Zeitpunkt, wann der Kolben aus dem Kompressionsraum
herausgezogen wird, kann somit frei gewählt werden, und zwar unabhängig davon, ob die Ultraschallwellen mit Hilfe des hin- und herbeweglichen Kolbens in die Schmelze eingekoppelt werden oder nicht. Denn beim Herausziehen aus dem Kompressionsraum wird der Kolben nicht vollständig aus der Schmelze herausgezogen, so dass weiterhin eine hochfrequente Schwingung des Kolbens auf die Schmelze übertragbar ist.
Bevorzugt wird der Kolben beim Herausziehen aus dem Kompressionsraum aus einer Arbeitsposition in eine Entgasungsposition überführt, in welcher der Kolben zumindest im Bereich einer Spitze noch von Schmelze umgeben ist. Die den Kolben umgebende Schmelze ist vorzugsweise in einem oberhalb des
Kompressionsraums angeordneten Reservoir aufgenommen. Aus diesem Reservoir kann dem Kompressionsraum stetig frische Schmelze zugeführt werden.
Die darüber hinaus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung umfasst einen mit einer Schmelze, insbesondere einer Metallschmelze, befüllbaren Kompressionsraum, der einerseits von einem hin- und herbeweglichen Kolben, andererseits von einem Keramikkörper mit einem Spritzloch zum Austragen der Schmelze begrenzt wird. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Aktor, beispielsweise einen magnetostriktiven,
piezokeramischen und/oder magnetischen Aktors, mit dessen Hilfe der Kolben in eine hochfrequente Schwingung versetzbar und/oder hin- und herbewegbar ist. Der Kolben weist dabei eine zumindest abschnittsweise konisch geformte Spitze zur Begrenzung des Kompressionsraums auf. Das heißt, dass die Spitze insbesondere kegelförmig oder kegelstumpfförmig geformt sein kann. Die zumindest abschnittsweise konisch geformte Spitze des Kolbens formt einen sich stetig vergrößernden Ringspalt zwischen dem Kolben und der Führung des Kolbens, wenn der Kolben aus dem Kompressionsraum herausgezogen wird. Die Spitze fördert somit ein Aufsteigen der Gasblasen bereits beim Herausziehen des Kolbens aus dem Kompressionsraum. Ferner ermöglicht die Spitze eine langsame Kolbenbewegung, so dass die Gefahr verringert wird, dass es beim Herausziehen des Kolbens zu einem unerwünschten Gaseinzug über das Spritzloch kommt.
Vorzugsweise ist der Aktor ein piezokeramischer Aktor, mit dessen Hilfe der Kolben sowohl in eine hochfrequente Schwingung versetzbar als auch hin- und herbewegbar ist. In diesem Fall muss nur ein Aktor vorgesehen werden bzw. die Vorrichtung muss nicht um einen zusätzlichen Aktor erweitert werden, um das erfindungsgemäße Verfahren zum Entgasen des Kompressionsraums durchzuführen.
Das heißt, dass der Aktor bevorzugt hochfrequentfähig ist, so dass der Kolben mit Hilfe des Aktors in hochfrequente Schwingungen > 20 KHz versetzbar ist.
Vorteilhafterweise ist der Kolben aus Keramik gefertigt und weist somit eine hohe Festigkeit auf. Die Verbindung des Kolbens mit dem Aktor ist vorzugsweise über eine Kolbenstange hergestellt. Die Kolbenstange kann einstückig mit dem Kolben ausgebildet sein. Das heißt, dass in diesem Fall die Kolbenstange ebenfalls aus Keramik gefertigt ist. Alternativ kann die Kolbenstange aber auch ein
eigenständiges Bauteil ausbilden, das aus einem anderen Werkstoff als der Kolben gefertigt ist, beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff. Ferner kann die Kolbenstange - je nach Länge - ein- oder mehrteilig ausgeführt sein.
Bei einer mehrteiligen Ausführung sollte eine ausreichende Dehnlänge im Verbindungsbereich vorgehalten werden, um ein Lösen der Verbindung aufgrund thermisch bedingter Längenänderungen zu verhindern. Zugleich muss die Verbindung des Kolbens mit dem Aktor ausreichend steif sein, um den Kolben in eine hochfrequente Schwingung versetzen zu können. Zusätzlich können extra starke rückstellende Federn vorgesehen sein, die den Kolben gegen den Aktor Vorspannen. Damit die hohen positiven wie negativen Beschleunigungen nicht zu unzulässigen Spannungen im Kolben führen, sollte darauf geachtet werden, dass nur Druckspannungen keine Zugspannungen in die Keramik eingeleitet werden. Ferner sollte auf scharfe Kanten, insbesondere auf ein Gewinde, im
Krafteinleitungsbereich verzichtet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer Schmelze,
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 und
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Kräfte, die auf eine Gasblase innerhalb einer Flüssigkeit wirken.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Den Figuren 1 und 2 ist beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur generativen Fertigung eines
dreidimensionalen Werkstücks aus einer Schmelze 1, insbesondere aus einer Metallschmelze, zu entnehmen. Bei der Vorrichtung handelt es sich um einen 3D-Drucker bzw. um einen Druckkopf eines 3D-Druckers.
Bestandteile der Vorrichtung sind ein hin- und herbeweglicher Kolben 3, der einen Kompressionsraum 2 begrenzt. Der Kompressionsraum 2 ist mit der Schmelze 1 gefüllt. Durch die Hin- und Herbewegungen des Kolbens 3 werden Druckpulse erzeugt, die dazu führen, dass ein Teil der Schmelze 1 über ein Spritzloch 4 ausgetragen wird, das in einem den Kompressionsraum 2 begrenzenden Keramikkörper 8 ausgebildet ist. Der Keramikkörper 8, der vorliegend plattenförmig ausgebildet ist, ist über eine Spannhülse 14 mit einem hohlzylinderförmigen Gehäuseteil 15 verbunden, das den Kompressionsraum 2 in radialer Richtung begrenzt und zugleich eine Führung 5 für den Kolben 3 ausbildet.
Das im Keramikkörper 8 ausgebildete Spritzloch 4 weist einen Durchmesser D auf, der kleiner als 500 pm ist. Das heißt, dass ein deutlicher Druckpuls erforderlich ist, um die Schmelze 1 durch das enge Spritzloch 4 zu drücken. Der Druckpuls wird mit Hilfe des Kolbens 3 erzeugt, der hierzu über eine ein- oder mehrteilige Kolbenstange 11 mit einem piezokeramischen Aktor 6 verbunden ist. Über mindestens eine Feder 12 sind die Kolbenstange 11 und der Kolben 3 gegen den Aktor 6 vorgespannt. Der Kolben 3 und Kolbenstange 11 können ferner als ein Vollkolben ausgeführt sein (nicht dargestellt).
Beim Austreten der Schmelze 1 aus dem Spritzloch 4 kommt es zur Ausbildung diskreter Tropfen, die an der Unterseite des Keramikkörpers 8 abreißen und sich im Freifall auf einen Werkstückträger (nicht dargestellt) zubewegen. Die Falllinie im Freifall entspricht dabei idealerweise der Längsachse des Spritzlochs 4, um ein genaue Platzierung der Tropfen auf dem Werkstückträger zu ermöglichen. Das zu fertigende dreidimensionale Werkstück wird somit Tropfen für Tropfen auf dem Werkstückträger aufgebaut.
Um die Schmelze 1 über das Spritzloch 4 aus dem Kompressionsraum 2 zu pressen, muss ein ausreichend hoher Druck bzw. Druckpuls aufgebaut werden. Dies ist nur möglich, wenn im Kompressionsraum 2 kein stark kompressibles Medium, wie beispielsweise Luft, vorhanden ist. Im Betrieb der Vorrichtung kann es jedoch dazu kommen, dass Gas von außen über das Spritzloch 4 angesaugt wird und somit unter den Kolben 3 gelangt. Diese Luft gilt es vor Inbetriebnahme der Vorrichtung aus dem Kompressionsraum 2 zu entfernern.
Das heißt, dass - gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren - vor Beginn der eigentlichen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks der
Kompressionsraum 2 entgast wird. Hierzu wird zunächst der Kolben 3 in eine hochfrequente Schwingung versetzt, über die Ultraschallwellen in die Schmelze 1 eingekoppelt werden. Die Schmelze 1 überträgt die Schwingungen auf das eingeschlossene Gas, so dass dieses als Gasblase 10 bzw. Gasblasen 10 in der Schmelze 1 absinkt. Das Absinken ist auf eine Kraft Fßjrk zurückzuführen, die auf die Gasblase wirkt, und zwar entgegengesetzt zu einer Auftriebskraft FBou.
Zugleich lösen sich etwaige an der Innenumfangsfläche des Gehäuseteils 15 anhaftende Gasblasen 10, die somit ebenfalls absinken. Wird die Ultraschall- Anregung beendet, führt die Auftriebskraft FBUO dazu, dass die Gasblasen 10 aufsteigen. Spätestens mit der Beendigung der Ultraschall-Anregung wird der Kolben 3 aus dem Kompressionsraum 2 herausgezogen (siehe Pfeil in der Fig.
1) und somit aus einer Arbeitsposition in eine Entgasungsposition überführt (siehe gestrichelte Linie in der Fig. 1 bzw. Kolbenposition in der Fig. 2). Der herausgezogene Kolben 3 ermöglicht ein Aufsteigen der Gasblasen 10 aus dem Kompressionsraum 2 in ein oberhalb des Kompressionsraums 2 angeordnetes Reservoir 13, das zumindest teilweise ebenfalls mit Schmelze 1 gefüllt ist. Der Austrag der Gasblasen 10 erfolgt dabei über einen Ringspalt 7, der sich zwischen dem Kolben 3 und der Führung 5 ausbildet, wenn der Kolben 3 aus dem Kompressionsraum 2 herausgezogen wird. Da vorliegend der Kolben 3 eine konisch geformte Spitze 9 aufweist, vergrößert sich der Ringspalt 7 beim
Herausziehen des Kolbens 3 stetig. Das Austragen der Gasblasen 10 wird somit durch die konisch geformte Spitze 9 des Kolbens 3 begünstigt.
In der Fig. 3 sind beispielhaft die Kräfte dargestellt, die während der Einkopplung von Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit auf eine in der Flüssigkeit
eingeschlossene Gasblase 10 wirken. Zunächst wirkt eine Auftriebskraft FBOU („buoyancy force“), die ohne Ultraschall-Anregung dazu führen würde, dass die Gasblase 10 in der Flüssigkeit aufsteigt. Entgegengesetzt zur Auftriebskraft FBou, wirken eine Kraft FD („drag force“) und eine Kraft Fßjrk („Bjerknes force“), die gemeinsam größer als die Auftriebskraft FBOU sind, so dass die Gasblase 10 in der Flüssigkeit absinkt.
Dieses Phänomen macht sich die vorliegende Erfindung zunutze, wobei zum abschließenden Austragen der Gasblasen 10 aus dem Kompressionsraum 2 lediglich die Auftriebskraft FBOU genutzt wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen
Werkstücks aus einer Schmelze (1), insbesondere Metallschmelze, bei dem die Schmelze (1) einem Kompressionsraum (2) zugeführt und mittels eines
Druckpulses, der mit Hilfe eines den Kompressionsraum (2) begrenzenden hin- und herbeweglichen Kolbens (3) erzeugt wird, über ein Spritzloch (4) in
Tropfenform ausgetragen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass vor Fertigungsbeginn und/oder in einer
Fertigungspause der Kompressionsraum (2) entgast wird, wobei
Ultraschallwellen in die im Kompressionsraum (2) vorhandene Schmelze (1) eingekoppelt werden, welche eine Kraft (Fßjrk) erzeugen, die dazu führt, dass das in der Schmelze (1) vorhandene Gas zunächst absinkt, und wobei der Kolben (3) aus dem Kompressionsraum (2) herausgezogen und in dieser Position gehalten wird, so dass das nach dem Absinken aufsteigende Gas über einen Ringspalt (7) zwischen dem Kolben (3) und einer Führung (5) des Kolbens (3) entweichen kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen mit Hilfe des Kolbens (3) in die Schmelze (1) eingekoppelt werden, der hierzu in eine hochfrequente
Schwingung versetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) mit Hilfe eines Aktors (6), beispielsweise mit Hilfe eines magnetostriktiven, piezokeramischen und/oder magnetischen Aktors (6), in Schwingung versetzt und/oder hin- und herbewegt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) in einem ersten Schritt vor dem Einkoppeln der Ultraschallwellen oder in einem zweiten Schritt nach dem Einkoppeln der Ultraschallwellen aus dem Kompressionsraum (2)
herausgezogen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) beim Herausziehen aus dem Kompressionsraum (2) aus einer Arbeitsposition in eine Entgasungsposition überführt wird, in welcher der Kolben (3) zumindest im Bereich einer Spitze (9) noch von Schmelze (1) umgeben ist, die vorzugsweise in einem oberhalb des Kompressionsraums (2) angeordneten Reservoir (13) aufgenommen ist.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen mit einer Schmelze (1), insbesondere Metallschmelze, befüllbaren Kompressionsraum (2), der einerseits von einem hin- und herbeweglichen Kolben (3), andererseits von einem
Keramikkörper (8) mit einem Spritzloch (4) zum Austragen der Schmelze (1) begrenzt wird, ferner umfassend einen Aktor (6), beispielsweise einen magnetostriktiven, piezokeramischen und/oder magnetischen Aktors (6), mit dessen Hilfe der Kolben (3) in eine hochfrequente Schwingung versetzbar und/oder hin- und herbewegbar ist, wobei der Kolben (3) eine zumindest abschnittsweise konisch geformte Spitze (9) zur Begrenzung des
Kompressionsraums (2) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (6) hochfrequentfähig ist, so dass der Kolben (3) mit Hilfe des Aktors (6) in hochfrequente Schwingungen > 20 KHz versetzbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) aus Keramik gefertigt ist und/oder über eine Kolbenstange (11) mit dem Aktor (6) verbunden ist.
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