Titel:

Verfahren und Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen

Werkstücks aus einem flüssigen Werkstoff

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zu den generativen Fertigungsverfahren zählt insbesondere das 3D-Drucken, bei dem flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut werden. Vorliegend werden daher insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum 3D-Drucken vorgeschlagen, wobei jedoch ausschließlich flüssige bzw. verflüssigte Werkstoffe zum Einsatz gelangen sollen.

Stand der Technik

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 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

Verdrängerraum für das geschmolzene bzw. verflüssigte Metall, wobei der Schmelzbereich und der Verdrängerraum 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.

Flüssiges bzw. verflüssigtes Metall weist eine vergleichsweise hohe

Oberflächenspannung auf. Gelangt flüssiges Metall zudem in Kontakt mit einer schwer benetzbaren, beispielsweise rauen Oberfläche, ist die

Oberflächenreibung bzw. -haftung gering. In Bezug auf eine Flüssigkeitssäule aus flüssigem Metall, die sich innerhalb einer Austrittsöffnung eines Druckkopfs ausbildet, kann dieser Effekt dazu führen, dass das Geschwindigkeitsprofil der Flüssigkeitssäule nicht mehr axialsymmetrisch ist und die sich am Ende der Austrittsöffnung bildenden Tropfen aus flüssigem Metall unkontrolliert abgelenkt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff anzugeben, das eine kontrollierte

Tropfenabgabe und damit eine hohe Reproduzierbarkeit der Tropfenbildung ermöglicht.

Zur Lösung der Aufgabe werden wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 dar. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur generativen Fertigung eines

dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen Werkstoff wird der flüssige Werkstoff einem Verdrängerraum zugeführt und mittels eines Druckpulses über ein Spritzloch in Tropfenform ausgetragen. Der Druckpuls wird dabei mit Hilfe eines den Verdrängerraum begrenzenden hin- und herbeweglichen Kolbens erzeugt. Erfindungsgemäß werden zur Optimierung der

Benetzungseigenschaften mindestens einer den Verdrängerraum und/oder das Spritzloch begrenzenden Oberfläche zeitlich begrenzt Schallwellen in den flüssigen Werkstoff eingekoppelt, und zwar mit Hilfe des Kolbens, der hierzu in Schwingung versetzt wird.

Die Schallwellen drücken den flüssigen Werkstoff in vorhandene Kavitäten der Oberfläche, so dass diese mit flüssigem Werkstoff gefüllt werden. Dadurch vergrößert sich die Kontaktfläche zwischen dem flüssigen Werkstoff und der Oberfläche und die Oberflächenreibung bzw. -haftung steigt. Die eingangs erwähnten Probleme der unerwünschten Tropfenablenkung bzw. der

unkontrollierten Tropfenabgabe beim Austreten des flüssigen Werkstoffs aus dem Spritzloch können auf diese Weise vermieden oder zumindest deutlich gemindert werden.

Die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens treten besonders deutlich zu Tage, wenn ein flüssiger Werkstoff mit einer hohen Oberflächenspannung verwendet wird. Bevorzugt gelangt daher das vorgeschlagene Verfahren bei der generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen bzw.

verflüssigten Metall zur Anwendung. Bei dem flüssigen Metall kann es sich beispielsweise um Aluminium oder um eine Aluminiumlegierung handeln.

Ferner treten die Vorteile besonders deutlich zu Tage, wenn die mindestens eine den Verdrängerraum und/oder das Spritzloch begrenzenden Oberfläche vergleichsweise rau ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der das Spritzloch ausbildende Körper aus einer porösen Keramik gefertigt ist. Der Körper erweist sich dann als besonders flüssigkeitsabweisend, insbesondere metallophob bzw. aluminophob. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die

Benetzbarkeit der Oberfläche des Körpers verbessert werden.

Vorteilhafterweise wird die Benetzbarkeit der Oberfläche lediglich lokal begrenzt verbessert, und zwar vorrangig im Bereich des Spritzlochs und/oder in einem dem Spritzloch vorgelagerten Bereich, um in diesem Bereich bzw. in diesen Bereichen eine axialsymmetrische Rohrströmung zu erreichen. Vorzugsweise wird eine Rohrströmung mit einem parabolischen Geschwindigkeitsprofil erreicht. In Strömungsrichtung hinter dem Spritzloch wirkt sich dagegen eine geringe Benetzbarkeit der Oberfläche als Vorteil aus, da diese ein schnelles und sicheres Abreißen der Tropfen fördert. In Strömungsrichtung hinter dem Spritzloch liegende Oberflächen weisen daher bevorzugt flüssigkeitsabweisende, insbesondere metallophobe bzw. aluminophobe Eigenschaften auf. Da die mit Hilfe des Kolbens eingekoppelten Schallwellen sich lediglich im Verdrängerraum und im Spritzloch ausbreiten, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch nur die Oberflächen hinsichtlich ihrer Benetzbarkeit modifiziert, die den Verdrängerraum bzw. das Spritzloch begrenzen.

Bevorzugt werden die Schallwellen vor dem Erzeugen eines Druckpulses zum Austragen des flüssigen Werkstoffs mit Hilfe des Kolbens eingekoppelt, beispielsweise während eines Initialisierungsprozesses vor Beginn des eigentlichen Druckvorgangs. Es muss lediglich sichergestellt sein, dass flüssiger Werkstoff im Verdrängerraum vorhanden ist. Vorzugsweise ist der

Verdrängerraum bereits vollständig mit flüssigem Werkstoff gefüllt. Durch das Einkoppeln der Schallwellen während eines Initialisierungsprozesses ist sichergestellt, dass die Schallwellen den eigentlichen Druckvorgang nicht beeinträchtigen.

Des Weiteren bevorzugt werden die Schallwellen über einen Zeitraum < 10 s, vorzugsweise < 5 s, weiterhin vorzugsweise < 1 s eingekoppelt. Das Einkoppeln von Schallwellen führt somit zu einer kaum merklichen Verzögerung des eigentlichen Druckvorgangs, so dass dieser Verfahrensschritt im Wesentlichen keine Auswirkungen auf die Effizienz des Verfahrens hat.

Der Kolben wird dabei bevorzugt in eine Schwingung mit einer Frequenz >1 kHz versetzt, das heißt in einer Frequenz, die für den eigentlichen Druckvorgang zu hoch ist. Dadurch ist sichergestellt, dass es nicht zu einem vorzeitigen, unkontrollierten Austreten des flüssigen Werkstoffs aus dem Spritzloch kommt. Denn das Spritzloch ist in der Regel nicht durch ein Schließelement

verschlossen.

Vorzugsweise wird der Kolben in eine Schwingung mit einer Frequenz > 4 kHz, weiterhin vorzugsweise > 20 kHz, versetzt, das heißt in eine hochfrequente Schwingung. Mit Hilfe der hochfrequenten Schwingung des Kolbens können Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen erzeugt werden, die dazu führen, dass vorhandene Kavitäten vollständig mit flüssigem Werkstoff gefüllt werden. Bevorzugt wird der Kolben mit Hilfe eines Aktors, beispielsweise mit Hilfe eines magnetostriktiven, piezokeramischen und/oder magnetischen Aktors, in

Schwingung versetzt. Hierbei kann es sich insbesondere um den Aktor handeln, mit dessen Hilfe der Kolben hin- und herbewegt wird, um den für den Austrag des flüssigen Werkstoffs erforderlichen Druckpuls zu erzeugen. Auf diese Weise kann ein Aktor eingespart werden.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass durch die Einkopplung von Schallwellen Gasblasen im flüssigen Werkstoff erzeugt werden. Die

Gasblasen können dann im Bereich der mindestens einen den Verdrängerraum und/oder das Spritzloch begrenzenden Oberfläche zur Implosion gebracht werden, so dass die Oberfläche durch die implodierenden Gasblasen geglättet wird. Das heißt, dass eine Einebnung einer ursprünglich rauen Oberfläche durch Kavitationserosion gezielt herbeigeführt wird, wobei die Einebnung bzw. Glättung zu der gewünschten Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen dem flüssigen Werkstoff und der Oberfläche führt. Da auf diese Weise nicht alle Kavitäten beseitigt werden können, werden ergänzend zur Kavitationserosion die Vorteile der Füllung der Kavitäten der Oberfläche mit flüssigem Werkstoff genutzt. Da beide Effekte durch Einkoppeln von Schallwellen erzielbar sind, können beide Effekte gleichzeitig genutzt werden.

Die darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe

vorgeschlagene Vorrichtung umfasst einen mit einem flüssigen Werkstoff befüllbaren Verdrängerraum, der einerseits von einem hin- und herbeweglichen Kolben, andererseits von einem Keramikkörper mit einem Spritzloch begrenzt wird. Der Keramikkörper weist dabei mindestens eine den Verdrängerraum und/oder das Spritzloch begrenzende Oberfläche mit zeitweise modifizierter Benetzbarkeit auf. Die zeitweise modifizierte Benetzbarkeit wird dadurch erreicht, dass die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt wird. Denn dann treten die zuvor in Verbindung mit dem Verfahren beschriebenen Effekte bzw. Vorteile auf.

Die vorgeschlagene Vorrichtung wird daher bevorzugt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt. Da das Spritzloch in einem Keramikkörper ausgebildet ist, wird es von mindestens einer Oberfläche begrenzt, die vergleichsweise rau ist. Durch Einkoppeln von Schallwellen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Benetzbarkeit der Oberfläche verbessert werden, so dass im Spritzloch eine Rohrströmung mit einem axialsymmetrischen Geschwindigkeitsprofil herrscht. Das heißt, dass eine Ablenkung der Flüssigkeitssäule im Freistrahl, d. h. nach dem Spritzlochaustritt, vermieden wird. Die Falllinie der sich dabei ausbildenden Tropfen entspricht somit der Spritzlochachse.

Bevorzugt weist das Spritzloch der Vorrichtung einen Durchmesser D < 500 pm, vorzugsweise < 300 pm, weiterhin vorzugsweise < 100 pm auf. Das Spritzloch kann demnach auch als Kapillare bezeichnet werden. In Kapillaren auftretende Kräfte, die zum unkontrollierten Herausfließen des flüssigen Werkstoffs aus dem Spritzloch führen könnten, treten jedoch nicht auf, so dass das Spritzloch nicht verschlossen werden muss. Der vergleichsweise kleine Durchmesser des Spritzlochs führt zu kleinen Tropfendurchmessern, welche eine sehr genaue Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks ermöglichen.

Des Weiteren bevorzugt ist der Kolben mit einem Aktor, beispielsweise einem magnetostriktiven, piezokeramischen und/oder magnetischen Aktor,

wirkverbunden, so dass der Kolben mit Hilfe des Aktors in Schwingung versetzbar und/oder hin- und herbewegbar ist. Vorzugsweise wird derselbe Aktor zur Schwingungsanregung und zum Hin- und Herbewegen des Kolbens eingesetzt, so dass ein Aktor eingespart werden kann.

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

Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen Werkstoff,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch das Spritzloch der Vorrichtung der Fig. 1, Fig. 3 einen weiteren schematischen Längsschnitt durch das Spritzloch der Vorrichtung der Fig. 1,

Fig. 4 eine vergrößerte Schnittdarstellung im Kontaktbereich des flüssigen Werkstoffs mit dem das Spritzloch ausbildenden Keramikkörper,

Fig. 5 eine zweite vergrößerte Schnittdarstellung im Kontaktbereich des flüssigen Werkstoffs mit dem das Spritzloch ausbildenden Keramikkörper und

Fig. 6 eine dritte vergrößerte Schnittdarstellung im Kontaktbereich des flüssigen Werkstoffs mit dem das Spritzloch ausbildenden Keramikkörper.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Der Fig. 1 ist beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung zur generativen Fertigung eines

dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten Werkstoff zu entnehmen. Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Bei der dargestellten Vorrichtung handelt es sich vorliegend um einen 3D-Drucker bzw. um einen Druckkopf eines 3 D- Druckers.

Bestandteile der Vorrichtung sind ein Gehäuse 10 und ein hin- und herbeweglich im Gehäuse 10 aufgenommener Kolben 3, der einen im Gehäuse 10

ausgebildeten Verdrängerraum 2 begrenzt. Der Verdrängerraum 2 ist im Betrieb der Vorrichtung mit einem flüssigen Werkstoff 1, insbesondere mit einem flüssigen bzw. verflüssigten Metall, beispielsweise mit einer Aluminiumschmelze, befüllt. Durch die Hin- und Herbewegungen des Kolbens 3 sind Druckpulse erzeugbar, die dazu führen, dass der flüssige Werkstoff 1 über ein Spritzloch 4 ausgetragen wird. Das Spritzloch 4 ist in einem Keramikkörper 7 ausgebildet, der eine dem Verdrängerraum 22 zugewandte erste Oberfläche 5 und eine einem Substratraum 9 zugewandte zweite Oberfläche 8 aufweist. Das Spritzloch 4 wird durch eine Oberfläche 6 des Keramikkörpers 7 begrenzt. Der Keramikkörper 7, der vorliegend platenförmig ausgebildet ist, ist über eine Spannhülse 11 mit dem Gehäuse 10 verbunden.

Das im Keramikkörper 7 ausgebildete Spritzloch 4 weist substratraumseitig einen Durchmesser D auf, der kleiner als 500 pm ist. Das heißt, dass ein deutlicher Druckpuls erforderlich ist, um den flüssigen Werkstoff 1 durch das enge

Spritzloch 4 zu drücken. Der Druckpuls wird mit Hilfe des Kolbens 3 erzeugt, der hierzu mit einem Aktor (nicht dargestellt) verbunden ist.

Beim Austreten des flüssigen Werkstoffs 1 aus dem Spritzloch 4 kommt es zur Ausbildung diskreter Tropfen, die an der Oberfläche 8 des Keramikkörpers 7 abreißen und sich im Freifall auf einen Werkstückträger 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.

Da der Keramikkörper 7 fertigungsbedingt vergleichsweise porös ist, weisen die Oberflächen 5, 6 und 8 in Bezug auf den flüssigen Werkstoff 1 eine geringe Benetzbarkeit auf, so dass die Kontaktfläche zwischen dem flüssigen Werkstoff 1 und dem Keramikkörper 7 nicht sehr groß ist (siehe Fig. 4). Im Fall der dem Substratraum 9 zugewandten Oberfläche 8 erweist sich dies als Vorteil, da die geringe Benetzbarkeit ein schnelles und gleichmäßiges Abreißen der Tropfen fördert. Im Falle der Oberflächen 5 und 6 stellt sich die geringe Benetzbarkeit jedoch als Nachteil heraus, da zugleich die Oberflächenreibung bzw. -haftung des flüssigen Werkstoffs 1 an diesen Oberflächen 5, 6 abnimmt.

Dies kann, wie beispielhaft in den Figuren 2 und 3 dargestellt, dazu führen, dass das Geschwindigkeitsprofil (angedeutet durch Pfeile) einer sich im Spritzloch 4 befindenden Flüssigkeitssäule aus flüssigem Werkstoff 1 nicht axialsymmetrisch ist, so dass die aus dem Spritzloch 4 austretende Flüssigkeitssäule bzw. die sich dann ausbildenden Tropfen abgelenkt werden (siehe Fig. 3). Die Freifalllinie der Tropfen entspricht dann nicht mehr der Längsachse des Spritzlochs 4, so dass keine genaue Platzierung der Tropfen mehr möglich ist. Um dies zu verhindern, wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren vor Beginn des eigentlichen Fertigungsprozesses ein Initialisierung durchgeführt, bei welcher der Kolben 3 mit Hilfe des Aktors kurzzeitig zu hochfrequenten Schwingungen angeregt wird. Die hochfrequenten Schwingungen bewirken, dass der flüssige Werkstoff 1 in Kavitäten 12 der Oberflächen 5, 6 des Keramikkörpers 7 gedrückt wird, so dass diese sich vollständig mit flüssigem Werkstoff 1 füllen (siehe Fig.

5). Auf diese Weise vergrößert sich die Kontaktfläche zwischen dem flüssigen Werkstoff 1 und dem Keramikkörper 7 und damit die Oberflächenreibung bzw. -haftung des flüssigen Werkstoffs 1 im Bereich des Spritzlochs 4, so dass die Gefahr einer Ablenkung der Tropfen beim Austritt aus dem Spritzloch 4 deutlich verringert ist.

Darüber hinaus können durch die Schwingungsanregung des Kolbens 3

Gasblasen im flüssigen Werkstoff 1 erzeugt werden, die an den Oberflächen 5, 6 des Keramikkörpers 7 implodieren und im Wege der Kavitationserosion zu einer

Glättung der rauen Oberflächen 5, 6 führen (siehe Fig. 6). Diese Glättung bzw. Einebnung der Oberflächen 5, 6 trägt ebenfalls zu einer Verbesserung der Benetzbarkeit der Oberflächen 5, 6 bei. Dem Spritzloch 4 der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist vorliegend ein

Bereich mit vergrößertem Durchmesser D‘ vorgelagert, in den sich der

Verdrängerraum 2 hineinerstreckt. Der vorgelagerte Bereich wird demnach von einer Oberfläche 5 begrenzt, deren Benetzbarkeit durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls verbessert wird.