Titel:

Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen

Metallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze.

Die generative Fertigung umfasst insbesondere 3D-Druckverfahren, bei denen flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen

Werkstück aufgebaut werden. Flüssige Werkstoffe werden in Form einzelner Tropfen auf einen Werkstückträger aufgebracht. Feste Werkstoffe, zum Beispiel in Form von Pulvern, werden lokal aufgeschmolzen. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer 3D-Druckvorrichtung, die ausschließlich flüssige Werkstoffe einsetzt.

Stand der Technik

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 206 813 Al geht beispielhaft eine Vorrichtung zum Aufträgen eines Fluids auf einen Werkstückträger zum

Erzeugen eines Werkstücks hervor, die ein Reservoir zur Aufnahme des Fluids sowie eine Auslasseinrichtung zum Ausgeben des Fluids aufweist. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Aktoreinrichtung, mittels welcher ein Volumen des Reservoirs zur Erzeugung einer Druckwelle verkleinerbar ist. Die Druckwelle bewirkt, dass zumindest ein Teil des im Reservoir aufgenommenen Fluids über die Auslasseinrichtung ausgegeben und auf den Werkstückträger aufgetragen wird. Die Aktoreinrichtung weist hierzu eine Membran auf, die in einer oder als eine Außenwand des Reservoirs ausgebildet und elastisch verformbar ist. Ferner umfasst die Aktoreinrichtung einen beweglichen Kolben, mittels dessen die elastische Verformung der Membran bei Betätigung eines Wirbelstromaktors bzw. eines Magnetaktors bewirkbar ist.

Um den Wirkungsgrad einer solchen Vorrichtung zu steigern, wird häufig eine Erhöhung der Tropfenfrequenz gefordert. Das heißt, dass die zur Tropfenbildung erforderlichen Druckwellen bzw. Druckpulse in kürzeren zeitlichen Abständen erzeugt werden müssen. Dabei kann es in der Auslasseinrichtung zu

Kavitationsgebieten und/ oder zu einer Strömungsablösung kommen, welche die Tropfenbildung beeinträchtigen bzw. beeinträchtigt. Insbesondere kann sich vorzeitig ein Tropfen ablösen, dessen Durchmesser zudem kleiner als der Durchmesser der Austrittsöffnung ist, so dass der Tropfen exzentrisch austritt und beim Austreten abgelenkt wird. Dies gilt es zu verhindern.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze, anzugeben, die eine präzise Tropfenbildung selbst bei hoher Tropfenfrequenz ermöglicht.

Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des

Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorgeschlagene Vorrichtung zur generativen Fertigung eines

dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze, umfasst einen die Metallschmelze aufnehmenden Kompressionsraum, der durch einen hin- und herbeweglichen Kolben und durch einen Düsenkörper mit einer Düsenbohrung zur

topfenförmigen Abgabe der Metallschmelze begrenzt wird. Der Düsenkörper weist dabei zumindest im Bereich einer an die Düsenbohrung angrenzenden Oberfläche, die auf der dem Kompressionsraum abgewandten Seite angeordnet ist, eine metallophope, insbesondere aluphobe Struktur auf.

Die metallophope, insbesondere aluphobe Struktur unterstützt ein schnelles Ablösen der Tropfen am Ende der Düsenbohrung, so dass sichergestellt ist, dass die Tropfen nicht abgelenkt werden, sondern gerade in Richtung ihres Zielortes fliegen.

Der Bereich ist vorzugsweise aus einer porösen Struktur gebildet.

In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungen ist der Bereich aus einer nadel- oder stelzenförmigen Struktur gebildet, wobei diese in vorteilhafter Weise in einer Größe von 1 bis 10 pm ausgebildet sind.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass ein aus der Düsenbohrung austretender Tropfen keinerlei adhäsive Kräfte seitens der Düsenplattenunterseite erfährt. Die erfindungsgemäße Struktur führt zu einer Minimierung des Kontakts des flüssigen Metalls mit dem Untergrund und zwingt dadurch die Flüssigkeitssäule aufgrund der Dominanz der

Kohäsionskräfte zur Tropfenbildung.

Ferner ist es von Vorteil, dass der Düsenkörper zumindest im Bereich der Düsenbohrung aus einem metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff gefertigt ist oder eine Beschichtung mit einem metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff aufweist.

„Metallophil“ bedeutet, dass der Kontaktwinkel zwischen der Metallschmelze und der aus dem metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff ausgebildeten Oberfläche vergleichsweise klein ist. Dadurch wird die Benetzung der Oberfläche mit der Metallschmelze verbessert. Dies weist den Vorteil auf, dass die

Tropfenablösung erst am Ende der Düsenbohrung und nicht bereits innerhalb der Düsenbohrung erfolgt. Einem vorzeitigen Ablösen von Tropfen kann somit entgegengewirkt werden. Ferner ist sichergestellt, dass nach der Erzeugung eines Tropfens die Düsenbohrung mit Metallschmelze gefüllt bleibt, so dass hieraus gleich der nächste Tropfen gebildet werden kann. Der Prozess kann somit hochdynamisch gestaltet werden, insbesondere kann die Tropfenfrequenz erhöht werden. Beispielsweise kann eine Tropfenfrequenz von 500 bis 1000 Hz realisiert werden, ohne dass es zu den eingangs genannten Nachteilen kommt.

Bei einer Düsenbohrung, die keine aluphile Oberfläche aufweist, neigt die aluminiumhaltige Metallschmelze aufgrund ihrer hohen Oberflächenspannung dazu, sich nach jedem Druckpuls zur Erzeugung eines Tropfens aus der Düsenbohrung zurückzuziehen. Die Düsenbohrung muss demnach erneut mit Metallschmelze gefüllt werden, bevor ein weiterer Tropfen erzeugt werden kann. Hohe Tropfenfrequenzen können auf diese Weise nicht erzielt werden. Zudem besteht die Gefahr, dass Kavitationsgebiete entstehen und/oder es zu einer Strömungsablösung und den damit verbundenen Nachteilen kommt.

Insbesondere kann sich innerhalb der Düsenbohrung ein kleinerer Tropfen ablösen und exzentrisch aus der Düsenbohrung austreten, wobei der Tropfen - aufgrund der einseitig höheren Wandreibung - abgelenkt wird.

Mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorrichtung, die im Bereich einer an die

Düsenbohrung angrenzenden Oberfläche, die auf der dem Kompressionsraum abgewandten Seite angeordnet ist, eine metallophope, insbesondere aluphobe Struktur aufweist und im Bereich der Düsenbohrung einen metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff aufweist, können diese Nachteile vermieden werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der metallophile, insbesondere aluphile Werkstoff Siliziumnitrid. Siliziumnitrid weist für den vorgesehenen Einsatzbereich in Bezug auf aluminiumhaltige Metallschmelzen optimale Eigenschaften auf. Insbesondere kann der Kontaktwinkel zwischen der aluminiumhaltigen Metallschmelze und der aus Siliziumnitrid bestehenden Oberfläche verringert werden.

Bevorzugt weist die Düsenbohrung Abschnitte mit unterschiedlich großen Bohrungsdurchmessern auf, wobei vorzugsweise die Bohrungsdurchmesser in Richtung des Endes der Düsenbohrung kleiner werden. Der kleiner werdende Bohrungsdurchmesser unterstützt die Tropfenbildung und das Ablösen der Tropfen am Ende der Düsenbohrung. Zur Strömungsoptimierung innerhalb der Düsenbohrung wird vorgeschlagen, dass die Abschnitte mit unterschiedlichen Bohrungsdurchmessern über einen konisch geformten Abschnitt verbunden sind.

Der Düsenkörper ist vorteilhafterweise plattenförmig ausgebildet oder umfasst eine Düsenplatte. Die Plattenform erleichtert die Ausbildung der Düsenbohrung, da der die Bohrung aufweisende Bereich leicht zugänglich ist. Sofern der Düsenkörper mehrteilig ausgeführt ist und eine Düsenplatte umfasst, können die übrigen Teile des Düsenkörpers aus einem anderen Werkstoff als die

Düsenplatte gefertigt werden. Der Werkstoff kann somit der jeweiligen Funktion eines Teils des Düsenkörpers angepasst werden.

Beispielsweise kann der Düsenkörper einen Hohlzylinder zur radialen

Begrenzung des Kompressionsraums umfassen. Der Hohlzylinder kann somit zugleich zur Führung des hin- und herbeweglichen Kolbens eingesetzt werden. Der Hohlzylinder ist daher bevorzugt aus einem Werkstoff gefertigt, der besonders verschleißfest ist.

Sofern der Düsenkörper mehrteilig ausgeführt ist und eine Düsenplatte und einen Hohlzylinder umfasst, sind die Düsenplatte und der Hohlzylinder bevorzugt mittels einer Düsenspannmutter verbunden. Mittels der Düsenspannmutter können die beiden Teile miteinander verspannt werden. Durch Verspannen der beiden Teile des Düsenkörpers können hohe Dichtkräfte erzielt werden, so dass sichergestellt ist, dass keine Metallschmelze zwischen den beiden Teilen nach außen tritt.

Ferner wird vorgeschlagen, dass der hin- und herbewegliche Kolben der

Vorrichtung mit einem Aktor, vorzugsweise mit einem Magnet- oder Piezoaktor, wirkverbunden ist. Mit Hilfe des Aktors kann der Kolben hin- und herbewegt werden. Vorzugsweise kommt ein Piezoaktor zum Einsatz, da dieser kurze schnelle Bewegungen zur Erzeugung schnell aufeinander folgender Druckpulse ermöglicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Zeichnung einer metallophoben Struktur,

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der metallophoben Struktur und Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der metallophoben Struktur.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze umfasst einen mehrteilig ausgeführten Düsenkörper 4, der ein plattenförmiges Teil bzw. eine Düsenplatte 12 umfasst. Die Düsenplatte 12 ist mittels einer Düsenspannmutter 10 mit einem Hohlzylinder 9 verbunden, d. h. axial verspannt, in dem ein hin- und herbeweglicher Kolben 3 aufgenommen ist. Der Kolben 3, der Hohlzylinder 9 und die Düsenplatte 12 begrenzen gemeinsam einen Kompressionsraum 2, der mit einer Metallschmelze 1 befüllbar ist.

Die Vorrichtung umfasst ferner einen Aktor (nicht dargestellt) mit dessen Hilfe der Kolben 3 hin- und herbewegbar ist. Dabei taucht der Kolben 3 in den

Kompressionsraum 2 ein oder zieht sich aus diesem zurück. Auf diese Weise werden Druckwellen bzw. Druckpulse erzeugt, welche die Metallschmelze 1 in eine Düsenbohrung 5 der Düsenplatte 12 drücken, so dass diese über die Düsenbohrung 5 in Form einzelner Tropfen 11 ausgetragen wird.

Um sicherzustellen, dass sich die Tropfen 11 jeweils erst am Ende der

Düsenbohrung 5 und nicht bereits innerhalb der Düsenbohrung 5 ablösen, weist die Düsenplatte 12 im Bereich der Düsenbohrung 5 eine Beschichtung 6 aus einem metallophilen, insbesondere aluphilen Werkstoff auf. Der aluphile

Werkstoff verbessert die Benetzungsfähigkeit der die Düsenbohrung 5 begrenzenden Oberflächen mit der aluminiumhaltigen Metallschmelze 1. Die Metallschmelze 1 neigt somit weniger dazu, sich nach der Erzeugung eines Tropfens 11 in den Kompressionsraum 2 zurückzuziehen, so dass die

Düsenbohrung 5 mit Metallschmelze 1 gefüllt bleibt und gleich der nächste Tropfen 11 ausgebildet werden kann.

Im Bereich 8 einer an die Düsenbohrung 5 angrenzenden Oberfläche 7, die auf der dem Kompressionsraum 2 abgewandten Seite der Düsenplatte 12 ausgebildet ist, weist die Oberfläche 7 eine metallophope, insbesondere aluphobe Struktur 18 auf. Die aluphobe Struktur 8 wiederum unterstützt das Ablösen der Tropfen 11 am Ende der Düsenbohrung 5, in Strömungsrichtung der Metallschmelze 1 gesehen. Die Oberfläche 7 bildet die Düsenplattenunterseite 7 aus.

Das endseitige Ablösen der Tropfen 11 wird bei der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ferner dadurch gefördert, dass die in der Düsenplatte 12

ausgebildete Düsenbohrung 5 Abschnitte 5.1, 5.2 mit unterschiedlich großen Bohrungsdurchmessern besitzt, die über einen konisch geformten Abschnitt 5.3 verbunden sind. Auf diese Weise wird eine sich in Strömungsrichtung zum Ende hin verjüngende Düsenbohrung 5 geschaffen, die ein endseitiges Ablösen der Tropfen 11 unterstützt.

Mit Hilfe der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung lassen sich somit Tropfen 11 aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze 1 ausbilden, die eine definierte Größe aufweisen und exakt positioniert werden können, da sie nach dem

Ablösen nicht abgelenkt werden, sondern senkrecht nach unten fallen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Zeichnung einer metallophope, insbesondere aluphoben Struktur 18, wobei die Struktur 18 eine heterogene Oberflächentextur 20 aufweist, die den sogenannten Lotuseffekt begünstigt. Die heterogene Oberflächentextur 20 bildet eine poröse Struktur 18 aus, auf der sich ein Tropfen 11 ausbildet.

Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der metallophopen, insbesondere aluphoben Struktur 18, wobei die Struktur 18 nadel- oder stelzenförmig ausgebildet ist und ringförmig um die Düsenbohrung 5 angeordnet ist. Die Struktur 18 ist als Blütenstruktur ausgebildet. Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der metallophopen, insbesondere aluphoben Struktur 18, wobei die Struktur 18 nadel- oder stelzenförmig ausgebildet ist und rechteckig um die Düsenbohrung 5 angeordnet ist. Die Struktur 18 ist als Schachbrettmuster ausgebildet.

Die erfindungsgemäßen Strukturen 18 können mittels Verdampfen oder Abtragen von keramischem Material z.B. durch einen Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) um die Düsenbohrung 5 herum ausgebildet werden. Der Zielzustand ist für alle Ausführungsbeispiele eine heterogene Oberflächentextur 20, die den

sogenannten Lotuseffekt begünstigt.

Für Düsenbohrungen 5 mit einem Durchmesser von vorzugsweise 300 bis 500 pm, sind aluphobe Strukturen 18 mit Löcher von beispielsweise 10-20 pm zu bevorzugen. Die Mittelpunkte der Löcher zueinander, haben vorzugsweise Abstände von der gleichen Größe. Zur Erreichung der Struktur 18 des zweiten Ausführungsbeispiels in Fig. 4 ist beispielsweise beim Durchlaufen zweier Schleifen, welche Zeilen und Spalten um das Loch herum beschreiben, dann ein Loch einzubringen, wenn die Summe aus Zeile und Spalte ungerade ist. Für die Struktur 18 des ersten Ausführungsbeispiels aus Fig. 2 sind die Löcher in Form einer Fibonacci-Spirale einzubringen.

Die Struktur 18 ist für alle Ausführungsbeispiele lediglich in unmittelbarer Umgebung der Düsenbohrung 5 anzubringen, da nur dort ein axialsymmetrischer Abriss des Tropfens 11 gestört werden könnte, indem der austretende Tropfen 11 an der Düsenplattenunterseite 7 anhaftet. Eine zu bevorzugende Abdeckung der unmittelbaren Umgebung der Düsenbohrung 5 ist beispielsweise der zwei- bis dreifache Durchmesser der Düsenbohrung 5.