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Title:
3D PRINTING WITH IMPROVED DIMENSIONAL RESOLUTION AND STRENGTH
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/001100
Kind Code:
A2
Abstract:
Print head unit (2) for a 3D printer (1) for producing a three-dimensional object (6), comprising: at least one first droplet generator (21), designed to divide up a first melt (72) of a first starting material (71) into individual droplets (73) of a first type, wherein said droplets (73) of the first type can be permanently combined to give the object (6) by adding them in the liquid state of matter in the locations defining the shape of the object (6) and subsequent solidification; and at least one second droplet generator (22, 222, 322, 422, 522), designed to divide up a second melt (82, 282, 382, 482, 582) of a second starting material (81, 281, 381, 481, 581) into individual droplets (83, 283, 383, 483, 583) of a second type, the second droplet generator (22, 222, 322, 422, 522) being controllable independently of the first droplet generator (21). 3D printer (1) for producing a three-dimensional object (6) from a first starting material (71) and a second starting material (81, 281, 381, 481, 581), the 3D printer (1) comprising at least one print head unit (2) according to any one of claims 1 to 6, at least one positioning unit (3) for producing a relative movement between the print head unit (2) and the object (6), and at least one control unit (5) controlling the print head unit (2) and/or the positioning unit (3). Corresponding operating method.

Inventors:
RIEGLER, Udo (Usedom Str. 4, Stuttgart, 70439, DE)
Application Number:
EP2016/060683
Publication Date:
January 05, 2017
Filing Date:
May 12, 2016
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
B29C67/00; B33Y10/00
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Claims:
Ansprüche

1. Druckkopfeinheit (2) für einen 3D-Drucker (1) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (6), umfassend mindestens einen ersten

Tropfenerzeuger (21), der zur Aufteilung einer ersten Schmelze (72) eines ersten Ausgangsmaterials (71) in einzelne Tropfen (73) einer ersten Sorte ausgebildet ist, wobei diese Tropfen (73) der ersten Sorte durch Zugabe im flüssigen Aggregatzustand an den zur Form des Objekts (6) gehörigen Orten und anschließendes Erstarren fest zum Objekt (6) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Tropfenerzeuger (22, 222, 322, 422, 522) vorgesehen ist, der zur Aufteilung einer zweiten Schmelze (82, 282, 382, 482, 582) eines zweiten Ausgangsmaterials (81, 281, 381, 481, 581) in einzelne Tropfen (83, 283, 383, 483, 583) einer zweiten Sorte ausgebildet ist, wobei der zweite Tropfenerzeuger (22, 222, 322, 422, 522) unabhängig vom ersten Tropfenerzeuger (21) ansteuerbar ist.

2. Druckkopfeinheit (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Tropfenerzeuger (22, 222, 322, 422, 522) zur Herstellung von Tropfen (83, 283, 383, 483, 583) einer zweiten Sorte ausgebildet ist, die kleiner sind als die Tropfen (73) der ersten Sorte.

3. Druckkopfeinheit (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Tropfenerzeuger (22, 222, 322, 422, 522) zur Herstellung von Tropfen (83. 283, 383, 483, 583) einer zweiten Sorte ausgebildet ist, die einen

Durchmesser von 25 % bis 45 %, bevorzugt von 30 % bis 45 %, des

Durchmessers di der Tropfen (73) der ersten Sorte aufweisen.

4. Druckkopfeinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Tropfenerzeuger (21) ein erstes Reservoir (23) für die erste Schmelze (72) mit einem als Düse ausgebildeten ersten Auslass (24) für die erste Schmelze (72) aufweist und dass der zweite Tropfenerzeuger (22, 222, 322, 422, 522) ein zweites Reservoir (25, 225, 325, 425, 525) für die zweite Schmelze (82, 282, 382, 482, 582) mit einem als Düse ausgebildeten zweiten Auslass (26, 226, 326, 426, 526) für die zweite Schmelze (82, 282, 382, 482, 582) aufweist.

5. Druckkopfeinheit (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Reservoir (23), und/oder das zweite Reservoir (25, 225, 325, 425, 525), auf der dem ersten Auslass (24) bzw. dem zweiten Auslass (26, 226, 326, 426, 526) abgewandten Seite der ersten Schmelze (72) bzw. der zweiten Schmelze (82, 282, 382, 482, 582) Mittel (27, 28, 228, 328, 428, 528) zur Beaufschlagung mit einem Gasdruck p aufweist.

6. Druckkopfeinheit (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausstoßrichtungen (24a) des ersten Auslasses (24) und (26a) des zweiten Auslasses (26) aufeinander ausgerichtet sind, so dass Geraden entlang dieser Ausstoßrichtungen (24a, 26a) sich entweder schneiden oder in einem Abstand passieren, der höchstens der Summe des Radius eines Tropfens (73) der ersten Sorte und des Radius eines Tropfens (83) der zweiten Sorte entspricht.

7. Druckkopfeinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Tropfenerzeuger (21) ein regelmäßiges Gitter (240) von Auslässen (24) für die erste Schmelze (72) aufweist und dass der zweite Tropfenerzeuger (22) ein regelmäßiges Gitter (260) von Auslässen (26) für die zweite Schmelze (82) aufweist, wobei die Gitter (240, 260) gegeneinander versetzt sind und gleiche Gitterkonstanten d7, d8 aufweisen.

8. Verfahren zum Betreiben einer Druckkopfeinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schmelze (82, 282, 382, 482, 582) auf einer höheren Temperatur gehalten wird als die erste Schmelze (72).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein metallisches erstes Ausgangsmaterial (71) und ein metallisches zweites Ausgangsmaterial (81) gewählt werden und dass die zweite Schmelze (82, 282, 382, 482, 582) auf einer um mindestens 100 °C höheren Temperatur gehalten wird als die erste Schmelze (72).

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch

gekennzeichnet, dass Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als erstes Ausgangsmaterial (71), und/oder als zweites Ausgangsmaterial (81, 281, 381, 481, 581), gewählt wird.

11. Verfahren zum Betreiben einer Druckkopfeinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Tropfenerzeuger (21) und der zweite Tropfenerzeuger (22) im Wechsel angesteuert werden.

12. 3D-Drucker (1) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (6) aus einem ersten Ausgangsmaterial (71) und einem zweiten Ausgangsmaterial (81, 281, 381, 481, 581), dadurch gekennzeichnet, dass der 3D-Drucker (1) mindestens eine Druckkopfeinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mindestens eine Positioniereinheit (3) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Druckkopfeinheit (2) und dem Objekt (6) sowie mindestens eine Steuereinheit (5), die die Druckkopfeinheit (2) und/oder die Positioniereinheit (3) ansteuert, umfasst.

13. 3D-Drucker nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Modelliereinheit (4) zur Umwandlung der Form des Objekts (6) in ein aus diskreten Elementarkörpern (41, 41a, 41b, 41c) zusammengesetztes Modell (42) vorgesehen ist und dass die Steuereinheit (5) dazu ausgebildet ist, die Druckkopfeinheit (2) und/oder die Positioniereinheit (3) zur Fertigung der diskreten Elementarkörper (41, 41a, 41b, 41c) des Modells (42) anzusteuern.

14. Verfahren zum Betreiben eines 3 D- Druckers (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass würfelförmige oder quaderförmige Elementarkörper (41, 41a, 41c) gewählt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das

Modell (42) aus Elementarkörpern (41, 41a, 41b, 41c) zusammengesetzt wird, die sich in ihren Abmessungen, und/oder in ihren Volumina, unterscheiden.

Description:
Beschreibung Titel:

3 D- Druck mit verbesserter Formwiedergabe und Festigkeit

Die Erfindung betrifft den 3D-Druck aus metallischen Ausgangsmaterialien und stellt hierfür eine Druckkopfeinheit, einen 3D-Drucker sowie Verfahren zum Betreiben zur Verfügung.

Stand der Technik

In 3D-Druckern für Kunststoffe wird das feste Ausgangsmaterial im Druckkopf aufgeschmolzen und an den zur Form des herzustellenden Objekts gehörigen Orten in Form eines Flüssigkeitsstroms zugegeben. Ein dreidimensionales Objekt wird auf diese Weise Schicht für Schicht zusammengesetzt.

Metallische Ausgangsmaterialien werden stattdessen mit einem Tropfenerzeuger in einzelne Tropfen aufgeteilt, die anschließend in flüssiger Form an die zur Form des Objekts gehörigen Orte gebracht werden. Indem die Tropfen erstarren, verbinden sie sich fest zum herzustellenden Objekt. Ein derartiger 3 D- Drucker ist beispielsweise aus (Song-Yi Zhong et al., Journal of Materials Processing Technology 214, 3089-3097 (2014)) bekannt. Die Druckkopfeinheit dieses SD- Druckers enthält ein Reservoir für das Ausgangsmaterial und eine

Induktionsheizung, mit der dieses Ausgangsmaterial aufgeschmolzen werden kann. Indem die Oberfläche der Schmelze mit einem Gasdruck beaufschlagt wird, werden einzelne Metalltropfen aus einer düsenförmigen Öffnung am Boden des Reservoirs herausgetrieben und an ihren Bestimmungsort geschleudert.

Die Genauigkeit, mit der die gewünschte Form des Objekts reproduziert wird, und die mechanische Festigkeit des erhaltenen Objekts hängen davon ab, inwieweit enge Prozessfenster für die Temperatur der Schmelze in der Druckkopfeinheit und für die Temperatur des Substrats, auf dem das Objekt aufgebaut wird, getroffen werden. Genauigkeit und Festigkeit können

gegenläufige Ziele sein. Untersuchungen zu diesem Thema sind beispielsweise in (M. Orme, E. P. Müntz,„New Techique for Producing Highly Uniform Droplet Streams over an Extended Range of Disturbance Wave-Numbers", Review of

Scientific Instruments 58 (2), 279-284 (1987)), (M. Orme, R. F. Smith,„Enhanced aluminum properties by means of precise droplet deposition", Journal of Manufacturing Science and Engineering - Transactions of the ASME 122 (3), 484-493 (2000)) sowie (Yan-pu Chao, Le-hua Qia et al.,„Remelting and bonding of deposited aluminum alloy droplets under different droplet and Substrate temperatures in metal droplet deposition manufacture", International Journal of Machine Tools and Manufacture 69, 38-47 (2013)) veröffentlicht.

Tropfenerzeuger für metallische Materialien sind weiterhin aus der US 5,171,360 A, aus der US 5,226,948 A, aus der WO 2001 091 524 AI sowie aus der WO

2001 091 525 AI bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der Erfindung wurde eine Druckkopfeinheit für einen 3D-Drucker zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts konzipiert. Diese Druckkopfeinheit umfasst mindestens einen ersten Tropfenerzeuger, der zur Aufteilung einer ersten Schmelze eines ersten Ausgangsmaterials in einzelne Tropfen einer ersten Sorte ausgebildet ist. Diese Tropfen der ersten Sorte sind durch Zugabe im flüssigen Aggregatzustand an den zur Form des Objekts gehörigen Orten und anschließendes Erstarren fest zum Objekt verbindbar.

Erfindungsgemäß ist mindestens ein zweiter Tropfenerzeuger vorgesehen, der zur Aufteilung einer zweiten Schmelze eines zweiten Ausgangsmaterials in einzelne Tropfen einer zweiten Sorte ausgebildet ist. Dabei ist dieser zweite Tropfenerzeuger unabhängig vom ersten Tropfenerzeuger ansteuerbar.

Der Erfinder hat erkannt, dass es grundsätzlich schwierig ist, aus

näherungsweise kugelförmigen Tropfen einer einzigen Sorte ein ausgefülltes Volumen mit definierten Konturen zu fertigen. Die Kugelform der Tropfen kann im fertigen Objekt nicht erhalten bleiben, denn selbst bei der dichtesten

Kugelpackung wäre das Volumen nur zu 74% ausgefüllt, und die Kugeln wären nur über sehr kleine Kontaktstellen miteinander verbunden. Die Festigkeit des erhaltenen Objekts wäre ungenügend. Daher werden die Tropfen beim Eintreffen an ihrem Bestimmungsort weiter aufgeschmolzen werden (remelting), was sowohl den Zusammenhalt der Tropfen verbessert als auch das Volumen besser ausfüllt. Diesem weiteren Aufschmelzen ist jedoch eine Grenze gesetzt, da die letztendlich erhaltene Form des fertigen Objekts immer schwerer kontrollierbar wird. Daher verfolgt der Erfinder den Ansatz, die Lücken, die beim

Zusammensetzen der Tropfen der ersten Sorte bleiben, mit Tropfen der zweiten Sorte auszufüllen. Dabei können beide Ausgangsmaterialien stofflich identisch sein, so dass sich die Tropfen der beiden Sorten beispielsweise nur in ihrer Form und/oder in ihrer Größe unterscheiden können. Es können jedoch auch unterschiedliche Ausgangsmaterialien für die Tropfen beider Sorten verwendet werden, so dass das Objekt als sehr definierte Legierung beider

Ausgangsmaterialien aufgebaut wird. Die Ausgangsmaterialien können insbesondere Metalle sein.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Tropfenerzeuger zur Herstellung von Tropfen einer zweiten Sorte ausgebildet, die kleiner sind als die Tropfen der ersten Sorte. Die Tropfen der zweiten Sorte eignen sich dann besonders gut dazu, Lücken in einem Gitter aus Tropfen der ersten Sorte auszufüllen. Je besser die Lücken ausgefüllt sind und je kompakter das hergestellte Objekt insgesamt ist, desto größer ist die mechanische

Festigkeit des Objekts. Im Idealfall kann das Objekt eine größere Festigkeit aufweisen als die Ausgangsmaterialien im jeweiligen Rohzustand.

Besonders vorteilhaft ist der zweite Tropfenerzeuger zur Herstellung von Tropfen einer zweiten Sorte ausgebildet, die einen Durchmesser von 25 % bis 45 %, bevorzugt von 30 % bis 45 %, des Durchmessers der Tropfen der ersten Sorte aufweisen. Ein Tropfen der zweiten Sorte hat dann in etwa das Volumen, das in einem regelmäßigen Gitter aus Tropfen der ersten Sorte zwischen benachbarten Tropfen der ersten Sorte frei bleibt. Vorteilhaft weist der erste Tropfenerzeuger ein erstes Reservoir für die erste Schmelze mit einem als Düse ausgebildeten ersten Auslass für die erste

Schmelze auf. Der zweite Tropfenerzeuger weist ein zweites Reservoir für die zweite Schmelze mit einem als Düse ausgebildeten zweiten Auslass für die zweite Schmelze auf. Die Größe der entstehenden Tropfen kann dann insbesondere über den Düsendurchmesser eingestellt werden. Ein

Tropfenerzeuger emittiert Tropfen, deren Durchmesser etwa das 1,89- Fache des Düsendurchmessers beträgt. Um beide Tropfenerzeuger unabhängig

voneinander ansteuerbar zu machen, kann das erste Reservoir, und/oder das zweite Reservoir, auf der dem ersten Auslass bzw. dem zweiten Auslass abgewandten Seite der ersten Schmelze bzw. der zweiten Schmelze Mittel zur Beaufschlagung mit einem Gasdruck p aufweisen. Der Gasdruck p kann insbesondere mit einem Ventil, beispielsweise mit einem Magnetventil oder mit eine Piezoaktor, in das Reservoir eingesteuert werden. Das eingesteuerte Gas kann insbesondere ein Inertgas, beispielsweise Argon, sein.

Jeder Tropfenerzeuger kann periodisch angesteuert werden, beispielsweise mit einem Funktionsgenerator, der eine Sinus- oder Kosinuswelle ausgibt. Es können dann in der Größenordnung 24.000 Tropfen pro Sekunde emittiert werden, so dass der Durchsatz an Ausgangsmaterial sehr groß ist.

Beispielsweise kann eine monodisperse Kette aus Einzeltropfen emittiert werden. Alternativ oder auch in Kombination können immer im Wechsel die

Druckkopfeinheit und das Substrat, bzw. das darauf entstehende Objekt, zueinander neu relativ positioniert und anschließend ein einzelner Tropfen ausgelöst werden C.Drop on demand"). Das Positionieren ist dann nicht an den

Takt des Tropfenerzeugers gebunden, sondern die Tropfenerzeugung richtet sich umgekehrt danach, wie schnell das Positionieren erfolgen kann. Die

Geschwindigkeit für das Positionieren kann dann vorteilhaft so gewählt werden, dass keine übermäßig hohen Beschleunigungskräfte auftreten.

Vorteilhaft sich die Ausstoßrichtungen des ersten Auslasses und des zweiten Auslasses aufeinander ausgerichtet, so dass Geraden entlang dieser

Ausstoßrichtungen sich entweder schneiden oder in einem Abstand passieren, der höchsten der Summe des Radius eines Tropfens der ersten Sorte und des Radius eines Tropfens der zweiten Sorte entspricht. Nach dem Aufbringen eines Tropfens der ersten Sorte kann dann unmittelbar ein Tropfen der zweiten Sorte an der richtigen Stelle aufgebracht werden, ohne das die Druckkopfeinheit relativ zum Substrat, bzw. relativ zum darauf entstehenden Objekt, neu positioniert werden muss.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Tropfenerzeuger ein regelmäßiges Gitter von Auslässen für die erste Schmelze auf, und der zweite Tropfenerzeuger weist ein regelmäßiges Gitter von Auslässen für die zweite Schmelze auf. Dabei sind die Gitter gegeneinander versetzt und weisen gleiche Gitterkonstanten d 7 , d 8 auf.

Dabei können in jedem Tropfenerzeuger mehrere oder alle Auslässe ein gemeinsames Reservoir für die jeweilige Schmelze aufweisen. Es kann aber auch jeder Auslass ein unabhängiges Reservoir aufweisen.

Die Anordnung einer Vielzahl von Auslässen jeweils in einem regelmäßigen, ein- oder zweidimensionalen Gitter ermöglicht es analog einem Duschkopf, eine Linie bzw. eine Fläche besonders schnell mit einer Schicht zu belegen, die beide Ausgangsmaterialien enthält. Wird beispielsweise das herzustellende Objekt aus diskreten würfel- oder quaderförmigen Elementarkörpern (Voxeln)

zusammengesetzt, so kann eine derartige Schicht die Grundfläche dieses Elementarkörpers bedecken. Durch Übereinanderstapeln mehrerer Schichten kann das Volumen des Elementarkörpers sukzessive aufgefüllt werden.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betreiben der

erfindungsgemäßen Druckkopfeinheit. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Schmelze auf einer höheren Temperatur gehalten wird als die erste Schmelze. Insbesondere können beide Ausgangsmaterialien metallisch sein, und die zweite Schmelze kann auf einer um mindestens 100° C höheren Temperatur gehalten werden als die erste Schmelze. Ein Tropfen der zweiten Sorte ist dann in einem solchen Maße weicher als das bereits vorhandene Gitter aus Tropfen der ersten Sorte, dass dieses Gitter im Wesentlichen unangetastet bleibt und nur der Tropfen der zweiten Sorte verformt wird, um die im Gitter verbliebene Lücke vollständig auszufüllen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als erstes Ausgangsmaterial, und/oder als zweites Ausgangsmaterial, gewählt. Aluminium hat einen Schmelzpunkt von 660 °C. Die Temperatur der ersten Schmelze im ersten Reservoir kann dann beispielsweise zwischen 750 °C und 800 °C gehalten werden. Aus dieser Schmelze können große Tropfen der ersten Sorte gebildet werden, die nach dem Auftreffen auf das Substrat, bzw. auf das darauf entstehende Objekt, alsbald erkalten und ihre Form nicht weiter verändern. Die zweite Schmelze im zweiten Reservoir kann dann bei einer Temperatur von 900 °C oder mehr gehalten werden. Hieraus können kleine Tropfen der zweiten Sorte gebildet werden, die beim Auftreffen auf das entstehende Objekt in die Lücke zwischen den bereits vorhandenen Tropfen der ersten Sorte hineinfließen, ohne das aus diesen Tropfen der ersten Sorte gebildete Gitter zu beschädigen. Ein weiteres Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen

Druckkopfeinheit zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Tropfenerzeuger und der zweite Tropfenerzeuger im Wechsel angesteuert werden. Dann verschmilzt ein Tropfen der zweiten Sorte jeweils besonders gut mit den Tropfen der ersten Sorte, die unmittelbar vor bzw. nach diesem Tropfen der zweiten Sorte emittiert wurden. Diese Ausgestaltung des Verfahrens ist besonders vorteilhaft in

Kombination mit der Ausgestaltung der Druckkopfeinheit, in der beide

Tropfenerzeuger jeweils ein regelmäßiges Gitter von Auslässen aufweisen.

Werden beispielsweise zunächst aus allen Auslässen des ersten

Tropfenerzeugers, anschließend aus allen Auslässen des zweiten

Tropfenerzeugers und dann wieder aus allen Auslässen des ersten

Tropfenerzeugers jeweils gleichzeitig Tropfen emittiert, während die

Druckkopfeinheit lateral in der gleichen Position verbleibt, so wachsen Schichten aus den Ausgangsmaterialien aufeinander auf, die untereinander besonders gut verschmolzen sind.

Im Rahmen der Erfindung wurde auch ein 3D-Drucker zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts aus einem ersten Ausgangsmaterial und einem zweiten Ausgangsmaterial konzipiert, wobei diese Ausgangsmaterialien auch stofflich identisch sein können. Dieser 3 D- Drucker umfasst mindestens eine erfindungsgemäße Druckkopfeinheit, mindestens eine Positioniereinheit zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Druckkopfeinheit und dem Objekt sowie mindestens eine Steuereinheit, die die Druckkopfeinheit und/oder die Positioniereinheit ansteuert. Mit diesem 3D-Drucker lassen sich aus metallischen Ausgangsmaterialien Objekte mit einer hohen Festigkeit und mit einer guten Genauigkeit herstellen.

Besonders vorteilhaft ist mindestens eine Modelliereinheit zum Umwandlung der Form des Objekts in ein aus diskreten Elementarkörpern zusammengesetztes Modell vorgesehen, und die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die

Druckkopfeinheit und/oder die Positioniereinheit zur Fertigung der diskreten Elementarkörper des Modells anzusteuern. Die Diskretisierung in

Elementarkörper schafft eine zusätzliche Abstraktionsebene. Sie ist

insbesondere in Bezug auf möglicherweise einzugehende Kompromisse zwischen der Fertigungsgeschwindigkeit und der Genauigkeit der letztendlich erhaltenen Form unmittelbar einsichtig. Hingegen braucht es den Anwender nicht zu kümmern, auf welche Weise die Elementarkörper letzten Endes aus Tropfen erster Art und Tropfen zweiter Art gebildet werden. Dies ist allein Aufgabe der Steuereinheit. Neue Elementarkörper können nachträglich implementiert und dem Anwender zur Verfügung gestellt werden.

Die Elementarkörper können insbesondere würfelförmig oder quaderförmig sein. Es können jedoch auch andere geometrische Strukturen, beispielsweise

Wabenstrukturen, sinnvoll sein und beispielsweise die Festigkeit des Objekts weiter erhöhen. Das Modell kann insbesondere aus Elementarkörpern zusammengesetzt werden, die sich in ihren Abmessungen und/oder in ihren Volumina unterscheiden. Beispielsweise können Bereiche im Inneren des Objekts aus großen würfelförmigen oder quaderförmigen Elementarkörpern gebildet sein, die sich besonders schnell herstellen lassen. Nahe der Oberfläche des Objekts, wo es auf die Genauigkeit der Form ankommt, können kleinere Elementarkörper und/oder Elementarkörper, mit denen die gewünschte Form der Oberfläche präziser nachgebildet werden kann, gewählt werden.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt. Ausführungsbeispiele

Es zeigt:

Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen 3D-Druckers 1 mit aufeinander ausgerichteten Ausstoßrichtungen 24a, 26a der Auslässe 24, 26. Figur 2 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen 3D-Druckers 1 mit

erhöhtem Materialdurchsatz.

Figur 3 Ausfüllung von Lücken in einem Gitter aus Tropfen 73 einer ersten Sorte und Tropfen 83 einer zweiten Sorte.

Figur 4 Beispiel für ein aus diskreten Elementarkörpern 41, 41a-41c

zusammengesetztes Modell eines Objekts 6.

Figur 5 Ausführungsbeispiel einer Druckkopfeinheit 2 zur Herstellung

würfelförmiger Elementarkörper 41, 41a.

Nach Figur 1 umfasst die Druckkopfeinheit 2 des 3D-Druckers 1 einen ersten Tropfenerzeuger 21 und einen zweiten Tropfenerzeuger 22. Der erste

Tropfenerzeuger 21 weist ein erstes Reservoir 23 für die Schmelze 72 des ersten Ausgangsmaterials 71 auf. Dieses Reservoir 23 ist von einer Heizung 21a umgeben. Das Reservoir 23 weist einen Auslass 24 für die Schmelze 72 auf. Indem das Reservoir 23 oberhalb des Spiegels der Schmelze 72 über ein erstes Magnetventil 27 mit einem Druckpuls des Drucks p beaufschlagt wird, wird ein aus dem ersten Ausgangsmaterial 71 gebildeter einzelner Tropfen 73 entlang der Ausstoßrichtung 24a aus dem Auslass 24 in Richtung des Objekts 6 geschossen.

Das Objekt 6 entsteht auf einer hierfür vorgesehenen Substratoberfläche 31, die zur Positioniereinheit 3 gehört. Durch die Positioniereinheit 3 kann die

Substratoberfläche 31, und damit auch das entstehende Objekt 6, gegen die Druckkopfeinheit 2 bewegt werden. Die Druckkopfeinheit 2 enthält weiterhin einen zweiten Tropfenerzeuger 22. Dieser umfasst ein zweites Reservoir 25 für die Schmelze 82 des zweiten Ausgangsmaterials 81. Das Reservoir 25 ist von einer Heizung 22a umgeben. Es weist einen Auslass 26 auf. Wenn über das zweite Magnetventil 28 ein Druckpuls mit dem Druck p in das Reservoir 25 eingesteuert wird, wird ein aus dem zweiten

Ausgangsmaterial 81 gebildeter einzelner Tropfen 83 einer zweiten Sorte entlang der Ausstoßrichtung 26a aus der Öffnung 26 herausgeschossen.

Dabei sind die Ausstoßrichtungen 24a und 26a so aufeinander ausgerichtet, dass sich Geraden entlang dieser Ausstoßrichtungen 24a und 26a im Bereich des Objekts 6 schneiden. Der zweite Tropfenerzeuger 22 ist mechanisch fest mit dem ersten Tropfenerzeuger 21 gekoppelt, so dass jede Relativbewegung zwischen dem Objekt 6 und dem ersten Tropfenerzeuger 21 auch als analoge Relativbewegung zwischen dem Objekt 6 und dem zweiten Tropfenerzeuger 22 wirkt.

Das erste Magnetventil 27 ist über eine Steuerleitung 51 mit der Steuereinheit 5 verbunden. Das zweite Magnetventil 28 ist über die Steuerleitung 52 mit der Steuereinheit 5 verbunden. Die Steuereinheit 5 steuert über eine dritte

Steuerleitung 50 auch die Bewegung der Positioniereinheit 3. Als Eingabe erhält die Steuereinheit 5 das von der Modelliereinheit 4 erstellte Modell 42, in dem die Form des Objekts 6 in diskrete, in Figur 1 nicht eingezeichnete, Elementarkörper 41 unterteilt ist. Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 unterscheidet sich vom

Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 nur hinsichtlich der Druckkopfeinheit 2. Im Unterschied zu Figur 1 sind neben dem ersten Tropfenerzeuger 21, der mit dem ersten Ausgangsmaterial 71 gefüllt ist, ein zweiter Tropfenerzeuger 222, ein dritter Tropfenerzeuger 322, ein vierter Tropfenerzeuger 422 sowie ein fünfter Tropfenerzeuger 522 vorgesehen.

Der zweite Tropfenerzeuger 222 enthält ein Reservoir 225 für die Schmelze 282 des zweiten Ausgangsmaterials 281. Das Reservoir 225 ist von einer Heizung 222a umgeben. Das Reservoir 225 enthält einen Auslass 226, aus dem entlang einer Ausstoßrichtung 226a ein aus dem zweiten Ausgangsmaterial 281 gebildeter Tropfen 283 einer zweiten Sorte geschossen werden kann. Um einen Tropfen 283 zu erzeugen, kann über ein Magnetventil 228, dass über eine Steuerleitung 252 mit der Steuereinheit 5 verbunden ist, ein Druck p in das Reservoir 225 eingesteuert werden.

Der dritte Tropfenerzeuger 322 enthält ein Reservoir 325 für die Schmelze 382 des dritten Ausgangsmaterials 381. Das Reservoir 325 ist von einer Heizung 322a umgeben. Das Reservoir 325 enthält einen Auslass 326, aus dem entlang einer Ausstoßrichtung 326a ein aus dem dritten Ausgangsmaterial 381 gebildeter Tropfen 383 einer dritten Sorte geschossen werden kann. Um einen Tropfen 383 zu erzeugen, kann über ein Magnetventil 328, dass über eine Steuerleitung 352 mit der Steuereinheit 5 verbunden ist, ein Druck p in das Reservoir 325 eingesteuert werden. Der vierte Tropfenerzeuger 422 enthält ein Reservoir 425 für die Schmelze 482 des vierten Ausgangsmaterials 481. Das Reservoir 425 ist von einer Heizung 422a umgeben. Das Reservoir 425 enthält einen Auslass 426, aus dem entlang einer Ausstoßrichtung 426a ein aus dem vierten Ausgangsmaterial 481 gebildeter Tropfen 483 einer vierten Sorte geschossen werden kann. Um einen Tropfen 483 zu erzeugen, kann über ein Magnetventil 428, dass über eine

Steuerleitung 452 mit der Steuereinheit 5 verbunden ist, ein Druck p in das Reservoir 425 eingesteuert werden.

Der fünfte Tropfenerzeuger 522 enthält ein Reservoir 525 für die Schmelze 582 des fünften Ausgangsmaterials 581. Das Reservoir 525 ist von einer Heizung

522a umgeben. Das Reservoir 525 enthält einen Auslass 526, aus dem entlang einer Ausstoßrichtung 526a ein aus dem fünften Ausgangsmaterial 581 gebildeter Tropfen 583 einer fünften Sorte geschossen werden kann. Um einen Tropfen 583 zu erzeugen, kann über ein Magnetventil 528, dass über eine Steuerleitung 552 mit der Steuereinheit 5 verbunden ist, ein Druck p in das

Reservoir 525 eingesteuert werden.

Alle Tropfenerzeuger 21, 22, 322, 422 und 522 sind fest mit einer Montageplatte 200 verbunden. Dadurch ist auch gewährleistet, dass alle Ausstoßrichtungen 24a, 226a, 326a, 426a und 526a parallel zueinander stehen. Um einen Tropfen 283 der zweiten Sorte, einen Tropfen 383 der dritten Sorte, einen Tropfen 483 der vierten Sorte oder einen Tropfen 583 der fünften Sorte an einen unmittelbar zuvor am Objekt 6 angelagerten Tropfen 73 der ersten Sorte anzulagern, muss die Positioniereinheit 3 so angesteuert werden, dass der Zielort für den Tropfen 283, 383, 483 bzw. 483 in der Verlängerung der entsprechenden

Ausstoßrichtung 226a, 326a, 426a oder 526a liegt. Im Gegenzug bietet die Vielzahl an Tropfenerzeugern 21, 222, 322, 422, 522 den Vorteil, dass pro Zeiteinheit insgesamt wesentlich mehr Ausgangsmaterial 71, 281, 381, 481, 581 verarbeitet werden kann. Zwei oder mehr der Ausgangsmaterialien 71, 281, 381, 481 und 581 können vorteilhaft vollständig oder aber in bestimmten

Eigenschaften, beispielsweise stofflich, identisch sein.

Figur 3 verdeutlicht das Ausfüllen eines Volumens mit Ausgangsmaterial 71, 81, 281, 381, 481, 581, dass in Tropfenform aufgebracht wird. Figur 3a zeigt die Ausfüllung des Volumens mit nur einer Sorte von Tropfen 73, die jeweils einen Durchmesser di aufweisen und durch räumlichen Versatz so ineinander gestellt sind, dass das resultierende regelmäßige Gitter eine Gitterkonstante d 2 <di hat. Die Tropfen 73 überlappen sich vorteilhaft um Beträge bis zu 10 % des

Durchmessers di. Die Tropfen 73 berühren einander nur an kleinen

Kontaktflächen a bis g. Zwischen den Tropfen 73 gibt es Lücken 74, die die Struktur des aus den Tropfen 73 gebildeten Objekts 6 schwächen.

Figur 3b verdeutlicht, wie diesem Problem gemäß der Erfindung durch die Tropfen 83 der zweiten Sorte abgeholfen wird. Um zu dem in Figur 3b gezeigten Zustand zu kommen, wurden zunächst die vier Tropfen 73 der ersten Sorte aufgebracht. Anschließend wurden die drei Tropfen 83 der zweiten Sorte aufgebracht.

Figur 3c zeigt den Endzustand des Objekts 6. Im Vergleich zu Figur 3b wurden zwei weitere Tropfen 73 der ersten Sorte aufgebracht. Das Volumen ist jetzt im Inneren des Objekts 6 komplett ausgefüllt ohne Lücken 74. Auf diese Weise sind alle Einzeltropfen 73 und 83 maximal miteinander verschmolzen, so dass die Mikrostruktur des Objekts 6 homogen ist und seine Festigkeit vorteilhaft erhöht ist. Die Tropfen 73 der ersten Sorte stammen aus einer Düse 24 mit einem

Durchmesser von 0,3 mm. Somit haben die Tropfen 73 einen Durchmesser di von 0,571 mm. Die Tropfen 73 sind so weit ineinander gestellt, dass die

Gitterkonstante d 2 des entstehenden regelmäßigen Gitters nur 90% des Durchmessers di der Tropfen 73 beträgt. Eine würfelförmige Elementarzelle mit einer Kantenlänge, die der Gitterkonstanten d 2 entspricht, hat ein Volumen von 0,136 mm 3 . Hiervon ist noch ein Anteil von 0,038 mm 3 unausgefüllt. Damit ein Tropfen 83 der zweiten Sorte dieses Restvolumen ausfüllt, wird ein Tropfen 83 mit einem Durchmesser von 0,21 mm benötigt. Um einen solchen Tropfen 83 herzustellen, wird eine Düse 26 mit einem Durchmesser von 0,11 mm benötigt.

Da der Kontakt zwischen den Tropfen 73 der ersten Sorte nicht mehr nur durch die kleinen Kontaktflächen a bis g vermittelt wird, sondern zusätzlich auch durch die Tropfen 83 der zweiten Sorte, hängt die Festigkeit des hergestellten Objekts 6 nicht mehr so kritisch von den genauen relativen Positionierung aller Tropfen 73 und 83 zueinander ab. Dies ist umso vorteilhafter, je mehr Tropfen 73 und 83 pro Sekunde aufgebracht werden sollen. Nach dem bisherigen Stand der Technik war es bereits sehr anspruchsvoll, für eine Repetitionsrate von 300 Tropfen pro Sekunde die Positioniereinheit 3 mit der gleichen Frequenz in der geforderten Genauigkeit einstellen zu müssen.

Indem die Temperatur der Schmelze 82, der die Tropfen 83 der zweiten Sorte entstammen, um 100 °C höher gewählt wurde als die Temperatur der Schmelze 72, aus der die Tropfen erster Art 73 erzeugt wurden, waren die Tropfen 83 deutlich weicher als die Tropfen 73. Beim Aufbringen der Tropfen 83 der zweiten Sorte wurde daher der bereits fertiggestellte Teil des aus den Tropfen 73 der ersten Sorte zusammengesetzten Gitters nicht verändert. Die für die Tropfen 83 der zweiten Sorte verwendete Legierung kann als weiterer Freiheitsgrad genutzt werden, um ein optimales Verschmelzen aller Tropfen 73 und 83 zu erzielen.

Figur 4 zeigt beispielhaft die Diskretisierung der Form eines Objekts 6 in ein Modell 42 aus diskreten Elementarkörpern 41a und 41b. Die Elementarkörper 41a, die den größten Anteil des Volumens des Modells 42 ausmachen, sind Würfel mit einer Kantenlänge d 3 . Die Elementarkörper 41b sind dreieckige Scheiben mit einer Grundseite d 5> einer Höhe d 4 und einem Winkel α in ihrer Spitze. Ihre Dicke beträgt d 6 .

Mit den würfelförmigen Elementarkörpern 41a kann derjenige Anteil 62 des Objekts 6 modelliert werden, der nur rechtwinklige Kanten aufweist. Der Anteil 63 mit nicht rechtwinkligen Kanten wird hingegen mit den Elementarkörpern 41b in Form von dreieckigen Scheiben modelliert. Es ist jeweils Aufgabe der

Steuereinheit 5, durch geeignetes Ansteuern der Druckkopfeinheit 2 und der Positioniereinheit 3 alle Elementarkörper 41a und 41b nacheinander herzustellen und so das vollständige Objekt 6 zu realisieren. Dabei kann die Geschwindigkeit noch weiter gesteigert werden, indem, wie in Figur 4 angedeutet, jeweils 18 würfelförmige Elementarkörper 41a zu einem quaderförmigen Elementarkörper 41c zusammengefasst werden. Zur Herstellung eines solchen Elementarkörpers 41c können größere Tropfen 73, 83 und damit auch Düsen 24, 26 mit einem größeren Durchmesser eingesetzt werden, was gleichbedeutend ist mit einem größeren Materialdurchsatz pro Zeiteinheit.

Die Umwandlung der Form des Objekts 6 in ein aus diskreten Elementarkörpern 41, 41a, 41b, 41c zusammengesetztes Modell 42 ermöglicht insbesondere eine Abstraktion des 3D-Metalldrucks über unterschiedliche Größenordnungen der

Objekte 6 hinweg. Die Größenordnungen können beispielsweise in der

Zahntechnik von 10 mm 3 bis 100 mm 3 , im Maschinenbau jedoch von 0,1 dm 3 bis 5 dm 3 reichen. Der Benutzer des 3D-Druckers 1 muss unabhängig von der Größenklasse immer nur Elementarkörper 41, 41a, 41b, 41c zusammensetzen. Es ist allein Sache der Steuereinheit 5, wie der Elementarkörper 41, 41a, 41b,

41c abhängig von der Größenklasse und geforderten Genauigkeit im Einzelnen durch Ansteuerung der Positioniereinheit 3 und der Druckkopfeinheit 2 hergestellt wird. Beispielsweise kann in der Steuereinheit 5 eine Anweisung hinterlegt sein, wie ein Würfel mit Kantenlänge 0,5 mm, 1 mm oder 2 mm durch Schichtung passender Tropfen 73 einer ersten Sorte mit dazwischen angeordneten Tropfen

83 einer zweiten Sorte am besten realisiert werden kann. Der 3 D- Drucker 1 kann auch mehrere unterschiedlich dimensionierte Druckkopfeinheiten 2 aufweisen, die je nach Größenklassen des herzustellenden Objekts 6 zum Einsatz kommen. Weiterhin können auch mehrere Druckkopfeinheiten 2 gleichzeitig angesteuert werden, um den Materialdurchsatz pro Zeiteinheit weiter zu erhöhen.

Figur 5a zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckkopfeinheit 2, das speziell zur Herstellung würfelförmiger Elementarkörper 41, 41a geeignet ist. Der erste Tropfenerzeuger 21 umfasst ein regelmäßiges Gitter 240 von 5x5 Auslässen 24 für die erste Schmelze 72. Der zweite Tropfenerzeuger 22 umfasst ein regelmäßiges Gitter 260 von 4x4 Auslässen 26 für die zweite Schmelze 82. Die Auslässe 24 haben einen Durchmesser von 100 μηη, die Auslässe 26 haben einen Durchmesser von 30 μηη. Beide Gitter 240 und 260 haben in der horizontalen Richtung eine Gitterkonstante d 7 von 200 μηη und in der vertikalen Richtung eine Gitterkonstante d 8 von ebenfalls 200 μηη.

Wenn zunächst alle Auslässe 24 des Gitters 240 gleichzeitig angesteuert werden, so dass sie je einen Tropfen 73 des ersten Ausgangsmaterials 71 emittieren, und anschließend alle Auslässe des Gitters 260 gleichzeitig angesteuert werden, so dass sie je einen Tropfen 83 des zweiten

Ausgangsmaterials 81 emittieren, dann ist eine Fläche von 1 μηη 2 im

Wesentlichen vollständig mit den Ausgangsmaterialien 71 und 81 belegt. Dieser Zustand ist in Figur 5b skizziert. Da die zweite Schmelze 82 eine höhere

Temperatur aufweist als die erste Schmelze 81, wird das zweite

Ausgangsmaterial 81 im Überschneidungsbereich 91 zwischen einem Tropfen 83 des zweiten Ausgangsmaterials 81 und einem zuvor aufgebrachten Tropfen 73 des ersten Ausgangsmaterials 71 in Lücken 92 zwischen diesen Tropfen 83 und 73 gedrückt, so dass eine geschlossene Schicht ohne Löcher aus den

Ausgangsmaterialien 71 und 81 entsteht. Die Herstellung einer solchen Schicht dauert beispielsweise mit der„Drop on Demand"- Technik, bei der jede Emission eines Tropfens einzeln angeregt wird, etwa 10 ms. Werden durch wechselweises Ansteuern der beiden Tropfenerzeuger 21 und 22 insgesamt fünf derartige Schichten aufeinander gestapelt, ist ein

Elementarkörper (Voxel) 41, 41a mit einem Volumen von 1 mm 3 im Wesentlichen vollständig ausgefüllt.