Titel:

Druckkopf für den 3D-Druck von Metallen, Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken, umfassend einen Druckkopf und Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, der zum Drucken von Metallen geeignet ist, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken, umfassend einen Druckkopf, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.

Stand der Technik

Ein 3D-Drucker für ein thermoplastisches Material erhält eine feste Phase dieses Materials als Ausgangsmaterial, erzeugt daraus eine flüssige Phase und bringt diese flüssige Phase selektiv an den Stellen, die zu dem zu erzeugenden Objekt gehören, auf. Ein solcher 3D-Drucker umfasst einen Druckkopf, in den das Ausgangsmaterial geschmolzen wird. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, vorgesehen. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.

Der Druckkopf hat einen ersten Betriebszustand, in dem flüssiges Material aus ihm austritt, und einen zweiten Betriebszustand, in dem kein flüssiges Material aus ihm austritt. Der zweite Betriebszustand wird beispielsweise dann eingenommen, wenn eine andere Position auf der Arbeitsfläche angefahren werden und auf dem Weg dorthin kein Material deponiert werden soll. Zwischen den beiden Betriebszuständen des Druckkopfes kann beispielsweise

umgeschaltet werden, indem der Vortrieb des festen Ausgangsmaterials ein- bzw. ausgeschaltet wird.

Gegenüber thermoplastischen Kunststoffen haben Metalle einen wesentlich höheren Schmelzpunkt und zugleich im flüssigen Zustand eine wesentlich geringere Viskosität.

Ein Forschungsansatz zur Lösung der Aufgabe, dem Objekt nur an definierten Stellen flüssiges Metall hinzuzufügen, ist die pneumatische Drop-on-Demand- Technik. Diese Technik wird beispielsweise in (Han-song Zuo, He-jun Li, Le-jua Qi, Jun Luo, Song-yi Zhong, Hai-peng Li,„Effect on wetting behavior on generation of uniform aluminum droplets obtained by pneumatic drop-on-demand technique”, Journal of Materials Processing Technology 214, 2566-2575 (2014)) erläutert. Das metallische Ausgangsmaterial wird in einem Reservoir, das an seinem unteren Ende eine offene Düse aufweist, durch eine Induktionsheizung aufgeschmolzen. Um einen Tropfen flüssigen Metalls aus dieser Düse zu treiben, wird das Reservoir durch Zuführen eines Inertgases mit einem über ein

Magnetventil erzeugten Druckpuls beaufschlagt.

Nachteilig an dieser Lösung ist die Tropfenbildung durch einen Druckimpuls auf das Gas, da die Kompressibilität des Gases nur bedingt eine hohe Taktfrequenz der Ansteuerung zulässt, wodurch die Aufbaurate eines Werkstücks für einen industriellen Einsatz nicht akzeptabel ist.

In den meisten bekannten Anwendungen wird eine Inertatmosphäre in einer abgeschlossenen Baukammer des Druckers erzeugt. Die Baukammer wird dabei über Einlässe mit Hilfe eines Überdrucks mit Inertgas gefüllt. Dabei ist die Kammer in der Regel derart abgedichtet, dass ein geringer Übergang als

Leckagestelle an die Umgebungsatmosphäre besteht. Durch den permanent anliegenden Überdruck während des Druckvorgangs findet innerhalb der Baukammer ein Volumenaustausch mit der Umgebung statt.

Um 3D Strukturen mit hoher Wiederholgenauigkeit aufbauen zu können, muss die Umgebung des Tropfens außerhalb des Druckkopfes inertisiert sein. Dies sowohl beim Austreten aus dem Druckkopf, als auch auf der Strecke zum Substrat. Falls um den abgestoßenen Tropfen keine Inertatmosphäre vorliegt, kommt es in der Regel zur Oxidbildung an dem Düsenaustritt und zu

Oxideinschlüssen im zu bildenden 3D-Werkstück. Die Baukammer muss hierzu gegenüber der Umgebungsatmosphäre (Luft) abgedichtet werden. Je nach Größe eines zu druckenden Werkstückes, ist die Baukammergröße auszulegen und diese mit Inertgas zu füllen. Nachteilig ist der hohe Verbrauch von hochqualitativen Inertgas zur Erreichung der gewünschten Druckqualität

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckkopf bereit zu stellen, der bei gleichbleibender Druckqualität den Verbrauch des Inertgases verringert.

Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Druckkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1, der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem

erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Druckkopfs erfüllt.

Der erfindungsgemäße Druckkopf zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken, umfasst ein Gehäuse, eine Vorrichtung zur Zuführung eines Metalls, einen Kolben, ein Reservoir mit einer Austrittsöffnung und eine

Aktorvorrichtung zur Verschiebung des Kolbens, wobei das Reservoir einen Schmelzbereich und einen Verdrängerraum für eine flüssige Phase des Metalls aufweist, wobei der Schmelzbereich an einer inerten Atmosphäre angrenzt und mit dem Verdrängerraum derart verbunden ist, dass durch die Verschiebung des Kolbens die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregbar ist, wobei die Austrittsöffnung an einem Einsatz des Druckkopfes angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist der Druckkopf eine Vorrichtung zur Zuführung eines Schutzgases zur Austrittsöffnung des Druckkopfs auf. Das Schutzgas weist in vorteilhafter Weise die Eigenschaften eines Inertgases auf, bzw. ist ein Inertgas.

Dadurch kann in vorteilhafter Weise der Verbrauch des Inertgases während des Druckprozesses vermindert werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist ein effizienterer Einsatz des Inertgases möglich, da die Inertatmosphäre direkt an der Tropfenbildung erzeugt wird. Dadurch ist es auch möglich, den Rest der Baukammer mit einem Gas mit minderer Schutzgasqualität zu füllen, wodurch Kosten eingespart werden können.

Für industrielle Anwendungen ist ein akzeptabler Bauraum erforderlich. Dafür wird die Baukammer in 3 Dimensionen bewegt, beispielsweise mit

Linearantrieben. Diese Schnittstellen bilden eine potenzielle Leckage. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen düsennahen Schutzgaszuführung wird in vorteilhafter Weise nur der Bereich inertisiert, welcher unmittelbar für den Druckprozess erforderlich ist. Dabei wird der fallende Tropfen mit dem Inertgas umströmt und dadurch in vorteilhafter Weise die Oxidationsbildung verhindert. Falls die düsennahe Schutzgaszuführung in einem geschlossenen Bauraum betrieben wird, kann der Druckkopf in vorteilhafter Weise mit einer niedrigeren

Inertgasqualität betrieben werden. Zudem kann die Mengen des Inertgases durch den erfindungsgemäßen Druckkopf druckprozessabhängig geregelt werden, wodurch in vorteilhafter Weise Schutzgas, bzw. Inertgas eingespart werden kann.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Einsatz zumindest eine

Düsenplatte mit der Austrittsöffnung, eine Führungshülse zur Führung des Kolbens und eine Düsenspannmutter zur Befestigung der Düsenplatte an der Führungshülse auf und die Vorrichtung zur Zuführung des Schutzgases ist an der Düsenspannmutter angeordnet.

In einer bevorzugten Weiterbildung bildet die Vorrichtung zur Zuführung eines Schutzgases mit der Düsenspannmutter einen Spalt zur Zuführung des

Schutzgases zur Austrittsöffnung aus.

In einer Weiterbildung ist innerhalb des Spalts eine Drossel ausgebildet.

In einer Weiterbildung weist die Vorrichtung zur Zuführung eines Schutzgases einen Kanal zur Zuführung des Schutzgases zum Spalt auf.

In einer Weiterbildung weist der Kanal einen Teilkanal auf, der in eine Ringnut der Vorrichtung zur Zuführung eines Schutzgases mündet. In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Vorrichtung zur Zuführung eines Schutzgases eine Ebene auf, die den Spalt mit der Düsenspannmutter ausbildet und auf der eine umlaufende Erhebung ausgebildet ist, die mit der

Düsenspannmutter die Drossel ausbildet.

Der Kanal bildet eine tangential angeordnete Verbindung zur Ringnut und das Schutzgas wird dadurch von beispielsweise einer Gasflasche an die

Austrittsöffnung, bzw. Düse geleitet. Die tangentiale Einleitung des Schutzgases hat den Vorteil, dass das Gas um die Düsenöffnung homogen herum in der Schutzgaszuführung verteilt wird, bevor es über eine Erhöhung bzw. Drossel in Richtung der Düsenbohrung strömt. Die Menge des Gases wird von außen über ein Ventil oder eine einstellbare Drossel angepasst. Dieses kann mit

entsprechender Sensorik und Ansteuerung der Aktorik auch automatisch erfolgen. Um die Düsenbohrung herum entsteht somit eine Inertgasatmosphäre mit höherwertigem Schutzgas. Die Drosselstelle kann entsprechend der benötigten Menge an Gas optimiert und dadurch anschließend eine optimale Strömung eingestellt werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Düsenspannmutter mit integrierten Schutzgaszuführung aus einem Teil, das heißt einstückig ausgebildet sein. Dazu sind die o.g. Merkmale in diesem Bauteil zu integrieren.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken, insbesondere einen 3D-Metalldrucker, umfassend einen erfindungsgemäßen Druckkopf.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken mit einem

erfindungsgemäßen Druckkopf.

Weitere Vorteile ergeben sich beispielsweise dadurch, dass die Vorrichtung zur Zuführung des Metalls in vorteilhafter Weise für eine einfache Zuführung des Werkstoffs sorgt, wodurch bedarfsgerecht Werkstoff nachgeführt werden kann und der Druckkopf dadurch beispielsweise industriell einsetzbar ist. Zudem kann beispielsweise nach Leerung des Reservoirs ein anderer geeigneter Werkstoff zugeführt werden.

Der Schmelzbereich grenzt in vorteilhafter Weise an eine inerte Atmosphäre an. Dadurch wird sichergestellt, dass der Druck auf der Schmelze nahezu konstant ist, so dass dieser keine Auswirkung auf die Druckqualität hat. Ferner sorgt die inerte Atmosphäre dafür, dass keine ungewünschte chemische Reaktion im Reservoir stattfindet. Beispielsweise kann die inerte Atmosphäre aus Stickstoff oder einem anderen Inertgas gebildet sein.

Das Reservoir weist in vorteilhafter Weise den Schmelzbereich zum Schmelzen des Metalls, wobei dieser an der inerten Atmosphäre angrenzt und zusätzlich den Verdrängerraum auf. Dadurch ist es möglich den Schmelzvorgang räumlich von dem Verdränger-, bzw. Druckvorgang zu trennen, wodurch die

Reproduzierbarkeit der Tropfen, bzw. eines Bauteils verbessert wird. Dabei ist in vorteilhafter Weise die im Verdrängerraum vorhandene flüssige Phase des Metalls durch die Verschiebung des Kolbens zum Durchtritt durch die

Austrittsöffnung anregbar. Der Kolben liegt dabei vorteilhaft direkt auf der Schmelze auf, wodurch die Genauigkeit des Drückens weiter zunimmt, da die Schmelze nahezu inkompressibel ist. Die Schmelze, bzw. flüssige Phase des Metalls gelangt entweder über Schweredruck oder über eine Kombination des Schweredrucks und des Atmosphärendrucks des Inertgases vom

Schmelzbereich in den Verdrängerraum. Die Austrittsöffnung entspricht einer Düse und ist je nach Aufbau des Reservoirs austauschbar.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand von der Figur näher dargestellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:

Fig. 1 Ein Beispiel eines Druckkopfes,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckkopfs, Fig. 3 eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Druckkopfs und Fig. 4 eine Ansicht einer Vorrichtung zur Zuführung eines Schutzgases.

Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken, insbesondere ein 3D-Metalldrucker und ein Beispiel eines

Druckkopfs 1 für einen 3D-Drucker, insbesondere Metalldrucker.

Der Druckkopf 1 umfasst ein Gehäuse 3, eine Vorrichtung 28 zur Zuführung eines Metalls 14 in fester Phase, einen Kolben 5, ein Reservoir 7, 27 mit einer Austrittsöffnung 10 und eine Aktorvorrichtung 12 zur Verschiebung des Kolbens. Das Reservoir 7, 27 weist einen Schmelzbereich 20 und einen Verdrängerraum 21 für eine flüssige Phase 8 des Metalls 14 auf, wobei der Schmelzbereich 20 an einer inerten Atmosphäre 22 angrenzt und mit dem Verdrängerraum 21 derart verbunden ist, dass durch die Verschiebung des Kolbens 5 die flüssige Phase 8 des Metalls 14 zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung 10 anregbar ist. Die flüssige Phase 8 des Metalls 14 wird auch als Schmelze 8 bezeichnet und die inerte Atmosphäre 22 ist durch Einleitung eines Inertgases 22 in das Reservoir 7, 27 gebildet. Die Einleitung des Inertgases 22 findet bevorzugt über einen kalten Bereich des Druckkopfes 1 in das Reservoir 7, 27 statt.

Das Gehäuse 3 ist mehrteilig ausgebildet, wobei es zumindest einen Kühlflansch 25, eine Isolierplatte 26 und das Reservoir 7, 27 umfasst.

Der Kolben 5 ist mehrteilig ausgebildet, wobei er zumindest eine Kolbenstange 17 aus einem metallischen Werkstoff und einen Stempel 18 aus Keramik umfasst. Die Kolbenstange 17 ragt ausgehend von der Aktorvorrichtung 12 durch den Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 bis in das Reservoir 7, 27 hinein, wo sie in den Stempel 18 übergeht.

Der Kühlflansch 25 weist eine Ausnehmung 30 zur Aufnahme der

Aktorvorrichtung 12, die als piezoelektrischer Aktor 12 ausgebildet ist, auf. Der piezoelektrische Aktor 12 ist während des Betriebs in der Ausnehmung 30 derart fixiert, dass er bei Anliegen einer Spannung einen Arbeitshub auf den Kolben 5, speziell auf die Kolbenstange 17 des Kolbens, ausübt. Die Kolbenstange 17 überträgt den Arbeitshub auf den Stempel 18, so dass dieser die flüssige Phase 8 des Metalls 14 zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung 10 anregt. Der Kolben 5 ist ohne Aktuierung des Aktors 12 durch eine Feder 13 in eine

Ausgangsstellung rückstellbar, wobei die Feder 13 in der Ausnehmung 30 des Kühlflanschs 25 zwischen einem Absatz 24 und dem Aktor 12 angeordnet ist. Die Feder 13 ist als Tellerfeder ausgebildet.

Ferner weist der Kühlflansch 25 Kühlkanäle 31 zur Kühlung auf. Die Kühlkanäle 31 sind zwischen dem Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 angeordnet und werden mit einem Kühlmedium durchspült. Dies dient als Kühlung gegenüber der Erwärmung durch die Schmelze 8 und zum Kühlen des Aktors 12 im Betrieb. Der Kühlflansch 25 ist aus einem metallischen Werkstoff gebildet.

Die an dem Kühlflansch 25 auf Seiten der Kühlkanäle 31 anliegende Isolierplatte 26 ist aus einem wärmeisolierenden Material gebildet und derart ausgebildet, dass sie einen Wärmeübergang vom Reservoir 7, 27 zum Kühlflansch 25 vermindert.

Die Vorrichtung 28 zur Zuführung des Metalls 14 mündet in das Reservoir 7, 27 und ist in dem Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 angeordnet. Die

Vorrichtung 28 ragt durch den Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 hindurch und das Metall 14, bzw. das zu druckende Material 14 ist von außen durch die Vorrichtung 28 zuführbar. Bevorzugt können vordosierte Materialstücke, bzw. Pellets verwendet werden. Am Übergang der Isolierplatte 26 zum Reservoir 7, 27 befindet sich eine Öffnung 29 durch die das Material 14 in das Reservoir 7, 27 gelangt. Die Öffnung 29 ist durch eine Vorrichtung 32 verschließbar, so dass diese bevorzugt nur bei Zuführung des Materials 14 geöffnet ist, wodurch das Entweichen von Energie, bzw. Gas aus der inerten Atmosphäre 22 verringert wird.

Das Reservoir 7, 27 ist als Schmelztiegel 27 ausgebildet, wobei außerhalb des Schmelztiegels 27 ein Induktor 35 und innerhalb des Schmelztiegels ein Sensor 36, insbesondere ein Temperatursensor, angeordnet sind. Zwischen dem Schmelztiegel 27 und dem Induktor 35, bzw. der Induktor Spule 35 kann sich optional noch ein nicht dargestellter Isolator befinden.

Das Metall 14 gelangt in einer festen Phase 14 in den Schmelzbereich 20 des Schmelztiegels und wird durch den Induktor 35 erhitzt, bis es in eine flüssige Phase 8 übergeht. Bei Erreichen einer gewünschten Prozesstemperatur der Schmelze 8, die durch den Temperatursensor 36 ermittelt wird, kann der Druckkopf 1 den Betrieb aufnehmen. Die flüssige Phase 8, bzw. die Schmelze 8 gelangt durch Schweredruck der Schmelze 8 oder durch eine Kombination aus Schweredruck und Atmosphärendruck des Inertgases 22 am Stempel 18 vorbei in den Verdrängerraum 21. Der Stempel 18 des Kolbens 5 ist mit einer

Druckseite 19 in der Schmelze 8, bzw. von Schmelze 8 umgeben und an der Verbindungsseite zur Kolbenstange 17 in der inerten Atmosphäre 22, bzw. von der inerten Atmosphäre 22 umgeben. Die Kolbenstange 17 kommt

prozessbedingt nicht mit der Schmelze 8 in Berührung.

Die Keramik des Stempels 18 ist vorteilhafterweise sehr gut temperaturleitend, um die durch den Induktor 35 erzeugte Wärme gut in den Verdrängerraum 21 übertragen zu können.

Bei Aktuierung des piezoelektrischen Aktors 12 übt die Druckseite 19 des Stempels 18 einen Druck auf die Schmelze 8 im Verdrängerraum 21 in Richtung der Austrittsöffnung 10 aus und sorgt für einen Ausstoß eines Tropfens 15 durch die Austrittsöffnung 10 des Reservoirs 7, 27, bzw. des Verdrängerraums 21. Die Austrittsöffnung 10 ist für den Ausstoß von Tropfen 15 der flüssigen Phase 8 des Metalls 14 ausgebildet, wobei die Austrittsöffnung 10 die Form einer Düse 10 aufweist und fest mit dem Schmelztiegel 27 verbunden sein kann, oder wie in dem Ausführungsbeispiel gezeigt, einen wechselbaren Einsatz 11 aufweist, der den Einsatz von unterschiedlichen Düsengeometrien erlaubt. dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf (1) eine Vorrichtung (50) zur Zuführung eines Schutzgases (60) zur Austrittsöffnung (10) des Druckkopfs (1) aufweist.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckkopfs 1 in einem Ausschnitt, wobei der Einsatz 11 zumindest eine Düsenplatte 40 mit der Austrittsöffnung 10, eine Führungshülse 41 zur Führung des Kolbens 5 und eine Düsenspannmutter 42 zur Befestigung der Düsenplatte 40 an der Führungshülse 41 aufweist und die Vorrichtung 50 zur Zuführung des Schutzgases 60 an der Düsenspannmutter 42 angeordnet ist.

Fig. 3 zeigt eine Detailansicht des Druckkopfs 1, wobei die Vorrichtung 50 zur Zuführung des Schutzgases 60 mit der Düsenspannmutter 42 einen Spalt 51 zur Zuführung des Schutzgases 60 zur Austrittsöffnung 10 ausbildet.

Ferner ist innerhalb des Spalts 51 eine Drossel 52 ausgebildet.

Die Vorrichtung 50 zur Zuführung eines Schutzgases 60 weist einen Kanal 53, 54 zur Zuführung des Schutzgases 60 zum Spalt 51 auf.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht der Vorrichtung zur Zuführung des Schutzgases, wobei der Kanal 53, 54 einen Teilkanal 54 aufweist, der in eine Ringnut 55 der

Vorrichtung 50 zur Zuführung des Schutzgases 60 mündet.

Die Vorrichtung 50 zur Zuführung eines Schutzgases 60 weist ferner eine Ebene 56 auf, die den Spalt 51 mit der Düsenspannmutter 42 ausbildet und auf der Ebene 56 ist eine umlaufende Erhebung 57 ausgebildet, die mit der

Düsenspannmutter 42 die Drossel 52 ausbildet.