Titel

3D-Druck-lnjektor mit Kühlung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen 3D-Druck-lnjektor mit einem elektrisch ansteuerbaren Aktor, sowie mit Mitteln zur Kühlung und damit zur Abfuhr der Wärme aus dem Aktor, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Stand der Technik

Für die Herstellung dreidimensionaler Körper sind verschiedene 3D

Drucktechniken bekannt, bei denen Pulver- oder Drahtmaterial lokal aufgeschmolzen wird, und man anschließend erstarren lässt. Innerhalb der Gruppe solcher Maschinen sind auch bereits Verfahren bekannt, bei welchen 3D Strukturen direkt aus der Schmelze heraus erzeugt werden. Die

Realisierung erfolgt über das sogenannte DoD (Drop-on-Demand) -Prinzip. Dabei werden einzelne Tröpfchen aus z.B. einem Tiegel mit einem Aktor herausgelöst. Der Aktor kann dabei auf dem Magnetprinzip, auf dem

Piezoprinzip, oder auf dem pneumatischen Antriebsprinzip basierend betätigt werden.

Ebenso ist die Anwendung des Massenträgheitsprinzips ebenso bekannt. Vielfach taucht auch ein Stempel in einen Kompressionsraum ein, um durch den sich ergebenden Überdruck einzelne Tröpfchen zu erzeugen. Die Tröpfchen werden hierbei durch den Überdruck im Kompressionsraum und trotz der hohen Oberflächenspannung von flüssigem Metall durch eine enge Düse gedrückt. Im Fall der Verwendung eines Piezo-Sticks muss wie bei einer Verwendung in z.B. der Kfz-Einspritz-Injektor-Technik auf einen geeigneten Einbau geachtet werden. Zusätzlich zu der Bedingung, dass eine Piezo-Keramik in keinem Betriebsfall Zugspannungen aufnehmen kann, muss noch auf die Betriebstemperatur geachtet werden. Diese darf je nach

Ladung/Betriebsspannung max. 150°C betragen

Aus der Publikation Jun Luo, Lehua Qi et al, International Journal of Machine Tools Manufacture 106 (2016) Abb. 1, ist eine solches, vorstehend genanntes System bekannt. Dort findet ebenfalls eine Wärmeabfuhr statt, die jedoch nicht effektiv genug ist, in Bezug auf die Abführung der Wärme von dort, wo der hoch beaufschlagte Aktor die meiste Wärme erzeugt.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der Erfindung wurde ein 3D-Druck-lnjektor mit einem elektrisch ansteuerbaren Aktor, sowie mit Mitteln zur Kühlung und damit zur Abfuhr der Wärme aus dem Aktor konzipiert.

Erfindungsgemäß ist als Aktor ein piezoelektrischer Aktor mit

piezoelektrischem Element vorgesehen, welcher unmittelbar von einem mit einem Kühlmedium durchströmbaren zylindrischen Kühlmittelmantel umgeben ist, in welchem der piezoelektrische Aktor auch geführt ist.

Die Erfinder haben somit erkannt, dass beim Betrieb im Druckkopf ein Lastkollektiv zu beachten ist. Dieses wird durch die geforderte Lebenszeit, den geforderten Hub, die geforderte Lastwechselzahl und auch die

Temperatur begrenzt.

Da der Druckkopf mit Frequenzen, vorzugsweise von 1000 Hz betrieben wird, muss hierbei ein sorgfältiges Thermomanagement beachtet werden.

Im eindrucksvollen Vergleich zu einem 4- Zylinder Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeuges, welches bei 4000rpm und 5 Einspritzungen pro Zyklus betrieben wird, tritt am Injektor gerade einmal eine Beaufschlagung von 40 Hz auf. Demgegenüber liegt die Beaufschlagungsfrequenz bei einem Druckkopf um den Faktor 25 höher.

Dies macht deutlich, dass im Sinne einer Begrenzung auf eine maximale Betriebstemperatur von bspw. 150°C im Piezo-Stick des Aktors hier technische Maßnahmen zu ergreifen sind, die die entscheidend größere Verlustleistung optimal abführen.

Dies geschieht mit den oben genannten Mitteln, bei denen der als piezoelektrischer Aktor ausgestalteter Aktor, unmittelbar von einem mit einem Kühlmedium durchströmbaren zylindrischen Kühlmittelmantel umgeben ist, in welchem der piezoelektrische Aktor auch geführt ist.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Aktor sich in Bewegungsrichtung axial erstreckt, und dass zumindest über die axiale Länge des piezoelektrischen Elementes sich der Kühlmittelmantel erstreckt.

In vorteilhafter alternativer Ausgestaltung kann das Kühlmedium entweder flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium sein. In beiden Fällen bewirkt die erfindungsgemäße konstruktive Ausgestaltung, dass das strömende Kühlmedium direkt am Ort der Wärmeerzeugung, nämlich am

piezoelektrischen Element des Aktors einwirkt.

In weiterer, besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Kühlmittelmantel von einer weiteren Führungshülse umgeben ist. Dies vermittelt die Möglichkeit, dort die Ein- und Austrittstutzen des Kühlmantels mechanisch sicher fixieren zu können.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der axial erstreckte piezoelektrische Aktor an beiden Enden zentrisch und kardanisch eingespannt ist.

Die beidseitige Einspannung an beiden Enden des Aktors erfolgt zentrisch und kardanisch. Damit wird erzielt, dass die Wärmeleitung, die im Piezoelement des Aktors entstehende Verlustleistung über die

Führungshülse auf den Kühlflansch übertragen werden kann.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der

Kühlmitteleintritt im Aktor unten platziert ist. Dies gilt unabhängig davon, ob gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium verwendet wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass im Fall einer Kühlung mit einem gasförmigen Medium der Austrittstutzen des nach Kühlung erwärmten Mediums oberhalb der oberen zentrischen kardanischen Abstützung platziert ist. Hierbei wird der physikalischen Tatsache Rechnung getragen, dass für das gasförmige Kühlmedium mit kleinerer spezifischer Wärmekapazität als beim flüssigen Kühlmedium, ein größeres Volumen zur Verfügung steht.

In Berücksichtigung eines alternativen Kühlmediums wird vorteilhaft ausgestaltet, dass im Fall einer Kühlung mit einem flüssigen Medium der Austrittsstutzen des nach Kühlung erwärmten Mediums zwischen dem oberen Ende des piezoelektrischen Elementes des Aktors und der der oberen zentrischen kardanischen Abstützung platziert ist. Dies ist eine effektive Kühlstrecke, für das Kühlmedium mit höherer spezifischer

Wärmekapazität.

In letzter vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass ein über das piezoelektrische Element des Aktors nach unten mechanisch angetriebener Kolbenhut radial spielbehaftet in der Führungshülse platziert ist.

Auf diese Weise sind temperaturbedingte Verklemmungen in der

Antriebsstrecke des Injektors beseitigt.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand einer Figur näher dargestellt.

Ausführungsbeispiel Es zeigt:

Figur 1 Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aktor mit Darstellung zweier Kühlvarianten in einer gemeinsamen Darstellung.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen 3D-Druck Injektor 1 mit Kühlung. Der piezoelektrische Aktor ist innerhalb eines mediengekühlten, längs-, d.h. axial erstreckten Kühlflansches 7 angeordnet. Der Aktor ist an beiden Enden mit einer zentrischen kardanischen

Einspannung 5 versehen, oben als zentrisch kardanische Abstützung und unten als zentrisch kardanische Kraftübertragung auf eine Kolbenstange. Mit in axialer Richtung mittig platzierten Führungs-/Arretierungselementen wird der Aktor im Kühlflansch gehalten.

Diese Darstellung zeigt zwei Alternativen der Kühlung innerhalb einer Darstellung. Bei einer ersten Alternative, mit Bezug auf eine Kühlung mit einem gasförmigen Medium, ist die Kühlgaseinleitung 14 links unten im Kühlflansch 7 vorgesehen. Der Austritt des erwärmten gasförmigen

Kühlmediums erfolgt oben durch die Austrittsöffnung 15. Nach unten liegt der Aktor an einem frei beweglichen, vorzugsweise radial spielbehafteten Kolbenhut 8 an. Nach unten, d.h. unterhalb des Kolbens ist eine Abdichtung vorgesehen, vorzugsweise aus PTFE.

Der alternative Einsatz von flüssigem Kühlmedium ist auf der rechten Seite unten der Eintrittsstutzen 13 des kalten flüssigen Kühlmediums in die Führungshülse eingeschraubt.

Ferner ist dargestellt, dass der Aktor nochmals in einer Führungshülse 12 angeordnet ist, innerhalb der die Kühlung implementiert ist.

Für den Austritt des erwärmten flüssigen Kühlmediums ist eine

Austrittsöffnung 11 in der Führungshülse 12 angeordnet. Kühlmittelmantel 4 und Führungshülse 12 haben hier erfindungsgemäß die besagte

Doppelfunktion. Für den flüssigen Kühlmittelraum erfolgt eine Abdichtung mit einem O-Ring 10.

Die Kühlmedienstrecke für das flüssige Kühlmedium mündet in axialer Entfernung zur Eintrittsöffnung auffallend kürzer beabstandet aus, als bei der gasförmigen Kühlung, was mit der höheren spezifischen Wärmekapazität des flüssigen Mediums gegenüber dem gasförmigen Medium zu tun hat.

Nachfolgend nochmals die Funktionsweise von Gaskühlung und

Flüssigkühlung.

Zur Gaskühlung:

Es wird wie beschrieben im unteren Bereich des Aktors beispielsweise kühle Druckluft zugeführt. Dieses Medium strömt über einen im Kühlflansch eingeschraubten Anschlussstutzen, über eine nachfolgende einfache Bohrung in der Führungshülse in den Spalt zwischen Führungshülse und Aktormodul und kann, erwärmt durch die Verlustleistung des Aktors im oberen Bereich wieder austreten. In diesem Fall wird kein O-Ring im oberen Bereich benötigt. Nach unten hin begrenzt eine PTFE-Führungshülse den Luftstrom. Daraus folgt, es bleibt nur der Weg nach oben. Undichtigkeiten über das Arretierungs- und Führungselement sind hier unproblematisch.

Zur Flüssigkühlung:

Es wird im unteren Bereich eine Kühlflüssigkeit über einen in die

Führungshülse eingeschraubten Anschlussstutzen in den Bereich zwischen Führungshülse und Aktormodul zugeführt. Die Flüssigkeit strömt in diesem Spalt nach oben. Im oberen Bereich wird diese unter dem eingebauten O- Ring wieder ausgeführt.

Durch den O-Ring wird die oben angeordnete elektrische Kontaktierung geschützt. Nach unten zur Kolbenstange ist ein im Kolbenhut eingebauter O- Ring die Abdichtung. Da sich die Führungshülse in dem Kühlflansch verschieben kann, müssen sich in dem Kühlflansch Langloch Aussparungen für die in der

Führungshülse eingeschraubten Stutzen befinden.

Insgesamt ist die Kühlung in beiden Varianten in hohem Maße effektiv.