Titel:

Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze, Verfahren zum Betreiben einer

Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks

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

Metallschmelze, insbesondere aus einer Aluminiumschmelze. Darüber hinaus betrifft die Anmeldung ein Verfahren zum Betrieben einer derartigen Vorrichtung.

Bei der generativen Fertigung dreidimensionaler Werkstücke bzw. beim 3D- Drucken werden flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut. 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 aluminiumhaltige Metallschmelzen 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.

In der Regel werden flüssige oder verflüssigte Werkstoffe in Form diskreter Tropfen ausgegeben und auf den Werkstückträger aufgetragen. Dabei kommt es auf eine hochgenaue Platzierung der Tropfen an. Diese kann aber nur dann gewährleistet werden, wenn eine definierte Tropfenabrisskante vorhanden ist und es nicht bereits stromaufwärts der Tropfenabrisskante zu einer die

Tropfenbildung beeinträchtigenden Strömungsablösung kommt. Beispielsweise 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.

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 und -platzierung ermöglicht.

Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des

Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird das Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorgeschlagene Vorrichtung zur generativen Fertigung eines

dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze, insbesondere aus einer Aluminiumschmelze, umfasst einen ein- oder

mehrteiligen Düsenkörper, der einen mit der Metallschmelze befüllbaren

Kompressionsraum umschließt und ein Spritzloch zum Austragen der

Metallschmelze ausbildet, sowie einen im Düsenkörper hin- und herbeweglich aufgenommenen Kolben zur Begrenzung des Kompressionsraums.

Erfindungsgemäß ist der Düsenkörper oder zumindest ein das Spritzloch ausbildendes Teil des Düsenkörpers aus Shapal oder Graphit, vorzugsweise isostatisch gepresstes Graphit, gefertigt.

Shapal weist im Unterschied zu den üblicherweise eingesetzten keramischen Werkstoffen den Vorteil auf, dass es gut zu bearbeiten, insbesondere zu bohren, fräßen und/oder schleifen, ist. Das heißt, dass die Fertigung des Spritzlochs vereinfacht wird. Insbesondere kann ein Spritzloch mit einer definierten

Tropfenabrisskante geschaffen werden. Selbst bei Ausbildung einer

scharfkantigen Tropfenabrisskante neigt der Werkstoff nicht zum Ausbrechen, so dass eine präzise Kante ausformbar ist. Bei einem Temperaturwechsel kommt es weniger zu Brüchen. Zudem weist der Werkstoff nahezu keine störenden Poren auf.

Ein ähnliches Verhalten zeigt auch Graphit, insbesondere isostatisch gepresstes Graphit, so dass vorliegend Graphit als ein alternativer, nicht-keramischer Werkstoff zur Ausbildung der Düse genannt wird. Bevorzugt wird jedoch der Werkstoff Shapal eingesetzt, da hier die vorstehend genannten Vorteile besonders deutlich zu Tage treten.

Ferner wird vorgeschlagen, dass das durch den Düsenkörper ausgebildete Spritzloch auslassseitig durch eine scharfkantige Tropfenabrisskante begrenzt wird. Die Scharfkantigkeit der Tropfenabrisskante wird erst durch den gewählten Werkstoff ermöglicht, aus dem der Düsenkörper bzw. das Teil des Düsenkörpers, welches das Spritzloch ausbildet, gefertigt ist. Durch die Scharfkantigkeit wird eine genau definierte Tropfenabrisskante geformt, die eine präzise

Tropfenbildung und -platzierung ermöglicht. Ferner wird verhindert, dass die Metallschmelze beim Austritt aus dem Spritzloch am Düsenkörper haften bleibt und seitlich wegläuft.

Bevorzugt weist das Spritzloch mehrere Abschnitte auf, von denen mindestens ein Abschnitt zylinderförmig und mindestens ein Abschnitt konisch geformt sind. Des Weiteren bevorzugt verjüngt sich das Spritzloch zum Auslass hin. Auf diese Weise kann die Strömung der Metallschmelze durch das Spritzloch beschleunigt werden, was ebenfalls ein sauberes tropfenförmiges Abreißen der

Metallschmelze an der Tropfenabrisskante fördert. Das Spritzloch weist demnach bevorzugt eine sich verändernde Querschnittsfläche auf, die auslassseitig am kleinsten ist, um die Tropfenbildung und -abgabe zu unterstützen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Düsenkörper mehrteilig ausgeführt und das Teil des Düsenkörpers, welches das Spritzloch ausbildet, ist plattenförmig. Durch die mehrteilige Ausführung des Düsenkörpers kann die Verwendung des Werkstoffs Shapal oder Graphit auf das plattenförmige Teil beschränkt werden. Im Übrigen kann der Düsenkörper aus einem anderen Werkstoff gefertigt sein. Ferner erleichtert die Plattenform des Teils, welches das Spritzloch ausbildet, die Fertigung des Spritzlochs, da dieses von allen Seiten gut zugänglich ist.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Teil des Düsenkörpers, welches das Spritzloch ausbildet, mit Hilfe einer Düsenspannmutter mit einem hülsenförmigen Teil des Düsenkörpers verbunden, insbesondere verspannt, ist. Das

hülsenförmige Teil dient der Begrenzung des Kompressionsraums in radialer Richtung. Zugleich kann es zur Führung des im Düsenkörper hin- und

herbeweglich aufgenommenen Kolbens genutzt werden. Dadurch, dass das plattenförmige Teil und das hülsenförmige Teil über die Düsenspannmutter miteinander verbunden, insbesondere verspannt, sind, kann im

Kompressionsraum ein hoher Druck aufgebaut werden, um die Metallschmelze durch das Spritzloch zu pressen. Es muss nicht befürchtet werden, dass sich dabei die Verbindung zwischen den Teilen des Düsenkörpers löst.

Der hin- und herbewegliche Kolben der Vorrichtung ist vorzugsweise mit einem Aktor, weiterhin vorzugsweise mit einem magnetostriktiven, piezokeramischen und/oder magnetischen Aktor, wirkverbunden. Mit Hilfe des Aktors kann der Kolben hin- und herbewegt werden. Das heißt, dass mit Hilfe des Aktors der Kolben in den Kompressionsraum hinein bewegt werden kann, so dass ein Druck im Kompressionsraum aufgebaut wird, der schließlich dazu führt, dass ein Teil der Metallschmelze durch das Spritzloch gepresst und tropfenförmig ausgetragen wird. Düsenkörper, die gemäß der Erfindung aus Shapal oder Graphit gefertigt sind, weisen grundsätzlich schlechte Benetzungseigenschaften in Bezug auf eine aluminiumhaltige Metallschmelze auf. Das heißt, dass sie sich aluphob verhalten. Über die Zeit jedoch, durch den anhaltenden Kontakt mit der Metallschmelze, ändern sich die Benetzungseigenschaften der aus diesen Werkstoffen gefertigten Oberflächen, und zwar von aluphob in Richtung aluphil. Dies hat zur Folge, dass sich die mit der aluminiumhaltigen Metallschmelze benetzte Oberfläche über die Zeit vergrößert. Insbesondere dehnt sie sich in das Spritzloch aus. Dabei kommt es zur Ausbildung einer„wandernden“ weiteren Abrisskante innerhalb des Spritzlochs. Im Bereich der„wandernden“ weiteren Abrisskante kann es zu einem Strömungsabriss kommen, so dass sich vorzeitig ein Tropfen ablöst. Die „wandernde“ weitere Abrisskante erweist sich somit als problematisch im Hinblick auf eine präzise Tropfenbildung und -platzierung.

In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass ein Aktor gewählt wird, der hochfrequenzfähig ist, so dass der Kolben mittels des Aktors in eine Schwingung mit einer Frequenz > 20 KHz versetzbar ist. Mit Hilfe der

hochfrequenten Schwingungen des Kolbens werden Ultraschallwellen in die Metallschmelze eingekoppelt, mittels welcher die Eigenschaftsänderung von aluphob zu aluphil beschleunigt werden kann. Idealerweise wird daher bei jeder Inbetriebnahme der Vorrichtung der Kolben mit Hilfe des Aktors zunächst in eine hochfrequente Schwingung versetzt, um die Benetzungseigenschaften des Düsenkörpers im Bereich des Spritzlochs zu ändern, und zwar vollflächig bis an die Tropfenabrisskante heran, so dass es im Betrieb der Vorrichtung nicht zur Ausbildung einer„wandernden“ weiteren Abrisskante kommt. Durch die

Ultraschallanregung bei Inbetriebnahme wird demnach sichergestellt, dass die Eigenschaftsänderung von aluphob zu aluphil abgeschlossen ist, bevor mit der Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks begonnen wird. Dadurch sind auch eine präzise Tropfenbildung und -platzierung gewährleistet.

Das darüber hinaus vorgeschlagene Verfahren zum Betreiben einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung zur generativen Fertigung eines

dreidimensionalen Werkstücks zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus, die vorzugsweise bei jeder Inbetriebnahme der Vorrichtung durchgeführt werden: - Befüllen des Kompressionsraums mit der aluminiumhaltigen Metallschmelze, insbesondere Aluminiumschmelze,

- Aktivieren des Aktors, so dass der Kolben in eine Schwingung mit einer Frequenz > 20 KHz versetzt wird und über die Schwingung des Kolbens Ultraschallwellen in die Metallschmelze eingekoppelt werden, sowie

- Aufrechterhalten der Ultraschallanregung bis alle das Spritzloch

umschließenden Oberflächen bis hin zu einer das Spritzloch auslassseitig begrenzenden Tropfenabrisskante mit der Metallschmelze benetzt sind.

Wie bereits erwähnt, weist die Oberfläche eines aus Shapal oder Graphit gefertigten Düsenkörpers bzw. eines das Spritzloch ausbildenden Teils des Düsenkörpers von Haus aus aluphobe Eigenschaften auf. Über die Zeit - mit zunehmender Benetzung - erfährt der Werkstoff eine Eigenschaftsänderung von aluphob zu aluphil. Dieser Prozess kann sich über mehrere Stunden hinziehen. Währenddessen bildet sich im Übergangsbereich benetzter und unbenetzter Flächen eine der Tropfenabrisskante vorgelagerte weitere Abrisskante aus, die mit zunehmender Benetzung in Richtung der eigentlichen Tropfenabrisskante wandert. Die„wandernde“ Abrisskante erschwert eine präzise Tropfenbildung- und -platzierung.

Um dem entgegenzuwirken, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Initialisierungsprozess vorgeschlagen, der zu einer vollständigen Benetzung der das Spritzloch umschließenden Oberflächen führt. Auf diese Weise wird ein statischer, nicht mehr veränderlicher Zustand geschaffen, der eine präzise Tropfenbildung und -platzierung ermöglicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung und

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze 1 umfasst ein Gehäuseteil 11, das ein Reservoir 12 für eine aluminiumhaltige Metallschmelze 1 ausbildet. Ferner umfasst die Vorrichtung einen mehrteilig ausgeführten Düsenkörper 2 mit einem plattenförmigen ersten Teil 2.1 und einem hohlzylinderförmigen zweiten Teil 2.2. Beide Teile 2.1, 2.2, die mit Hilfe einer Düsenspannmutter 7 miteinander verspannt sind. Das

plattenförmige erste Teil 2.1 bildet ein Spritzloch 4 zum Austragen der

Metallschmelze 1 aus. Das hohlzylinderförmige zweite Teil 2.2 umschließt einen Kompressionsraum 3, der über das Reservoir 12 mit der Metallschmelze 1 befüllbar ist. Nach oben wird der Kompressionsraum 3 durch einen Kolben 5 begrenzt, der im hohlzylinderförmigen Teil 2.2 des Düsenkörpers 2 hin- und herbeweglich aufgenommen und geführt ist (siehe Pfeil 14).

Die Hin- und Herbewegungen des Kolbens 5 werden mit Hilfe eines Aktors 8 realisiert, der vorliegend als piezokeramischer Aktor 8 ausgeführt ist. Ein solcher Aktor 8 vermag den Kolben 5 in eine hochfrequente Schwingung zu versetzen. Der Kolben 5 ist mit dem Aktor 8 über eine Kolbenstange 10 verbunden, die ein- oder mehrteilig ausgeführt sein kann. Eine an der Kolbenstange 10 abgestützte Feder 13 spannt die Kolbenstange 10 einschließlich des Kolbens 5 gegen den Aktor 8 vor. Dadurch ist sichergestellt, dass die Wirkverbindung des Kolbens 5 mit dem Aktor 8 dauerhaft erhalten bleibt.

Die Hin- und Herbewegungen des Kolbens 5 erzeugen Druckwellen bzw.

Druckpulse, welche die Metallschmelze 1 in das Spritzloch 4 drücken, so dass diese über das Spritzloch 4 in Form einzelner Tropfen ausgetragen wird. Um sicherzustellen, dass sich die Tropfen jeweils erst am Ende des Spritzlochs 4 und nicht bereits innerhalb des Spritzlochs 4 ablösen, wird das Spritzloch 4 auslassseitig von einer scharfkantigen Tropfenabrisskante 6 begrenzt.

Wie insbesondere der Fig. 2 zu entnehmen ist, weist das Spritzloch 4 mehrere Abschnitte 4.1, 4.2, 4.3 auf, die sich hinsichtlich ihres Innendurchmessers unterscheiden. Dieser wird in Richtung des Auslasses des Spritzlochs 4 immer kleiner. Während die Abschnitte 4.1 und 4.3 zylinderförmig gestaltet sind, weist der Abschnitt 4.2 eine konische Form auf. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zumindest das Teil 2.1 des

Düsenkörpers 2, welches das Spritzloch 4 ausbildet, aus Shapal oder Graphit gefertigt. Da diese Werkstoffe von Haus aus aluphob sind bzw. schlechte Benetzungseigenschaften aufweisen, wird mit jeder Inbetriebnahme der

Vorrichtung ein Initialisierungsprozess durchgeführt. Bei diesem Prozess wird der Kolben 5 mit Hilfe des Aktors 8 in eine Schwingung mit einer Frequenz über

20 KHz versetzt, so dass über den Kolben 5 Ultraschallwellen in die

Metallschmelze 1 eingekoppelt werden. Diese forcieren eine vollständige

Benetzung der das Spritzloch 4 umschließenden Oberflächen 9, so dass der an sich aluphobe Werkstoff aluphile Eigenschaften entwickelt, und zwar nur dort, wo es zu einer Benetzung mit der Metallschmelze 1 kommt, das heißt, innerhalb des

Spritzlochs 4. Unterseitig bleibt der Werkstoff aluphob, so dass der Werkstoff das Ablösen der Tropfen am Auslass des Spritzlochs 4 unterstützt.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Vorrichtung ermöglicht somit eine präzise Tropfenbildung und- platzierung.