Druckkopf für den 3D-Druck von Metallen

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, der zum Drucken von Metallen geeignet ist, sowie Verfahren zum Betreiben.

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 Druckpuls beaufschlagt.

Offenbarung der Erfindung Im Rahmen der Erfindung wurde ein Druckkopf für einen 3D-Drucker entwickelt.

Dieser Druckkopf umfasst ein Reservoir für ein Metall, wobei das Reservoir eine Austrittsöffnung für den Ausstoß von Tropfen einer flüssigen Phase des Metalls aufweist. Es ist ein verschiebbar gelagerter Stempel zur unmittelbaren

Kraftausübung auf die flüssige Phase des Metalls vorgesehen, so dass die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregbar ist.

Erfindungsgemäß enthält das Reservoir auf der der Austrittsöffnung

abgewandten Seite des für die flüssige Phase des Metalls vorgesehenen Schmelzeraumes einen Druckausgleichsraum, in den die flüssige Phase des Metalls sich auszudehnen vermag. Der Druckausgleichsraum kann insbesondere mit einem kompressiblen Gas gefüllt sein.

Die unmittelbare Kraftausübung durch den Stempel vermag den Austritt von Tropfen der flüssigen Phase des Metalls schneller und präziser anzuregen als die pneumatische Kraftausübung, da kein kompressibles Arbeitsmedium zwischengeschaltet ist. Zugleich ist durch den Druckausgleichsraum der Austritt von Tropfen von dem Füllstand der Schmelze in dem Reservoir entkoppelt. Der Austritt von Tropfen kann nicht unabsichtlich durch langsame

Druckschwankungen in dem Reservoir angeregt werden, sondern nur durch eine durch den Stempel eingebrachte schnelle Druckänderung, die sich nicht vor dem Austritt des Tropfens in den Druckausgleichsraum entspannen kann. Der Stempel kann zu diesem Zweck insbesondere eine Druckwelle in die flüssige Phase des Metalls einbringen.

Somit kann vorteilhaft auch vermieden werden, dass Volumenänderungen des Reservoirs, und/oder des Metalls, auf Grund von thermischer Ausdehnung zu einem ungewollten Austritt von flüssigem Metall aus der Austrittsöffnung führen.

Dabei ist es nicht erforderlich, die Austrittsöffnung dicht zu verschließen, wenn kein flüssiges Metall austreten soll. Die vergleichsweise hohe

Oberflächenspannung von Metallen verhindert, dass das Metall unkontrolliert aus der Austrittsöffnung tropft, solange ein gewisser Schweredruck der

Flüssigkeitssäule nicht überschritten wird. Bei typischen Abmessungen der Austrittsöffnung kann beispielsweise bei Aluminium als Metall die

Flüssigkeitssäule bis zu 50 mm hoch sein.

Weiterhin muss der Stempel nicht auf die komplette Oberfläche der flüssigen Phase des Metalls drücken, sondern kann einen deutlich kleineren Querschnitt aufweisen. Dies verbessert die thermische Entkopplung der heißen flüssigen Phase des Metalls von dem Aktor in der Antriebsquelle des Stempels. Die meisten Aktoren haben maximale Betriebstemperaturen, die deutlich unterhalb der Schmelztemperatur von für den 3D-Druck relevanten Metallen liegen. So ist für einen Piezoaktor beispielsweise nur eine maximale Temperatur von 140 °C zulässig (Curie-Temperatur), da dieser sonst seine Piezo- Eigenschaft verliert, während reines Aluminium erst bei 650 °C schmilzt. Wird nun das Reservoir geheizt und zugleich der Aktor gekühlt, wird ein Teil der in das Reservoir eingekoppelten Wärme über den Stempel gleichsam zur Kühlung hin

„kurzgeschlossen". Je geringer der Querschnitt des Stempels und je größer seine Länge ist, desto geringer sind die hierdurch entstehenden thermischen Verluste des Druckkopfes.

Das Reservoir kann beispielsweise in zwei Zonen aufgeteilt sein. Unmittelbar an der Austrittsöffnung kann das Reservoir beispielsweise eine Endzone mit einem Innendurchmesser von unter 5 mm aufweisen, um einen Druckimpuls vom Stempel auf die flüssige Phase des Metalls zu übertragen und bis zur Austrittsöffnung zu leiten. Diese Zone kann von einer Vorratszone, die einen deutlich größeren Durchmesser aufweist, mit der flüssigen Phase des Metalls gespeist sein. In der Vorratszone sollte sich einem im Vergleich zum

Tropfenausstoß große Menge Metall befinden, damit der Füllstand sich beim Ausstoß eines Tropfens nur unwesentlich ändert. Dies ist vorteilhaft für die

Prozessstabilität, da der Druck an der Austrittsöffnung, der teilweise aus dem Schweredruck und damit aus dem Füllstand resultiert, dann konstant bleibt.

Eine derartige Anordnung kann beispielsweise aus einem Materialblock gefertigt werden, indem in diesen Materialblock die Vorratszone als Sacklochbohrung und hierzu konzentrisch die Endzone als lange zylindrische Bohrung eingebracht wird.

Das Reservoir beinhaltet umfasst also vorteilhaft eine Vorratszone, die den Druckausgleichsraum beinhaltet und/oder an den Druckausgleichsraum angrenzt, wobei die Vorratszone sich an einem der Austrittsöffnung zugewandten Ende zu einer Endzone verjüngt. Dabei kann die Endzone insbesondere vorteilhaft konzentrisch zur Vorratszone angeordnet sein und einen geringeren Durchmesser aufweisen als die Vorratszone. Vorteilhaft ist der Stempel in die Endzone bewegbar und/oder unter Freihaltung von Strömungsquerschnitten von der Innenwand der Endzone führbar. Strömungsquerschnitte können

beispielsweise durch Anschliffe freigehalten sein.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stempel durch den Druckausgleichsraum in das Reservoir geführt. Dies bietet den zusätzlichen Vorteil, dass die Durchführung des Stempels nicht gegen die heiße flüssige Phase des Metalls abgedichtet sein muss. Dies vereinfacht die

Materialauswahl der Kontaktmaterialien für die Durchführung und entschärft die kritischen Aufheiz- und Abkühlvorgänge, in denen sich Material innerhalb der Durchführung und ihrer Abdichtung absetzen und dort während des

Aufschmelzens oder Erstarrens Schäden hervorrufen könnte.

Die Führung, d.h. die verschiebbare Lagerung, des Stempels kann

unterschiedlich gestaltet werden. Beispielsweise kann eine Durchführung des Stempels in den Druckausgleichsraum zugleich als Führung ausgebildet sein. Alternativ oder auch in Kombination hierzu sind einfache oder mehrfache Führungen innerhalb und außerhalb der flüssigen Phase des Metalls möglich. Die Führung kann insbesondere als schwimmende Lagerung mit

Federelementen ausgebildet sein. Dies verhindert, dass der Stempel sich insbesondere bei Temperaturänderungen verkantet und schließlich bricht.

Vorteilhaft läuft das in die flüssige Phase des Metalls führbare Ende des Stempels kegelförmig zu mit einem Öffnungswinkel zwischen 90 und 180 Grad. Ein Öffnungswinkel in diesem Bereich ist besonders geeignet, um eine

Druckwelle in der flüssigen Phase des Metalls anzuregen.

Idealerweise weist der Stempel insbesondere gute Benetzungseigenschaften gegenüber der flüssigen Phase des Metalls auf. Eine hohe Härte ist

wünschenswert, um Verschleiß im Führungsbereich gering zu halten. Eine geringe Wärmeleitfähigkeit ist ebenfalls wünschenswert, da der Stempel sowohl in Kontakt mit der flüssigen Phase des Metalls als auch mit seiner Antriebsquelle steht und viele in Antriebsquellen verwendeten Aktoren temperaturempfindlich sind. Insoweit der Stempel im Betrieb des Druckkopfes auf Zug beansprucht wird, ist weiterhin eine entsprechende Zugbelastbarkeit wünschenswert.

Schließlich sollte das Material des Stempels thermisch gegen Temperaturen von mindestens 100 K über dem Schmelzpunkt des Metalls beständig sein, und es sollte chemisch gegen die flüssige Phase des Metalls beständig sein.

All diese Anforderungen können beispielsweise in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfüllt werden, in der mindestens der in die flüssige Phase des Metalls führbare Teil des Stempels aus einer Keramik, und/oder aus einem Edelstahl besteht.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Zuführung für die feste Phase des Metalls in das Reservoir vorgesehen. Diese Zuführung kann insbesondere in den Druckausgleichsraum erfolgen. Es ist dann nicht erforderlich, diese Zuführung gegen die flüssige Phase des Metalls abzudichten. Die Zuführung muss nicht Teil des Druckkopfes sein, sondern kann auch an anderer Stelle im 3D-Drucker mit dem Druckkopf angeordnet sein. Der Druckausgleichsraum bewirkt in diesem Zusammenhang vorteilhaft, dass die Zuführung der festen Phase des Metalls nicht ungewollt zu einem Austritt von Tropfen der flüssigen Phase des Metalls aus der Austrittsöffnung führen kann. Da der Innendurchmesser des Reservoirs typischerweise deutlich größer ist als die Fläche, auf der die feste Phase des Metalls eine Kraft auf die flüssige Phase des Metalls ausübt, wird zum einen durch die Zuführung der festen Phase des Metalls nur ein geringer Druck ausgeübt. Zum anderen sind derartige

Druckänderungen vergleichsweise langsam und werden in den

Druckausgleichsraum entspannt, bevor sie sich auf das in der Nähe der

Austrittsöffnung befindliche flüssige Metall auswirken.

Die Zuführung kann insbesondere eine Vorschubvorrichtung für eine

drahtförmige, bandförmige oder stangenförmige feste Phase des Metalls sein. Es kann dann insbesondere ein kontinuierlicher Nachschub der festen Phase des Metalls erfolgen. Dabei verringert die Entkopplung des Tropfenaustrags vom Füllstand des Reservoirs vorteilhaft die Anforderungen an die Genauigkeit der Koordination zwischen der Austragsrate der flüssigen Phase des Metalls aus der Austrittsöffnung und der Nachschubrate der festen Phase des Metalls.

Die Austragrate aus der Austrittsöffnung wird durch die Strukturen des herzustellenden Objekts bestimmt; der Druckkopf liefert jeweis„on-demand" Tropfen, wenn diese an der aktuellen Relativposition zwischen Druckkopf und herzustellendem Objekt gerade benötigt werden. Daher ist die Austragrate ständig variabel. Insbesondere kann es vorkommen, dass der Druckkopf vom druckenden in den nicht druckenden Zustand umgeschaltet werden muss, während eine neue Relativposition angefahren wird. Die Nachschubrate des festen Materials ist der Austragrate prinzipiell nachzuführen. Dies ist nur mit einer gewissen Geschwindigkeit möglich, zumal das feste Metall anschließend noch aufgeschmolzen werden muss.

Da die Kraftausübung beim Nachschub der festen Phase des Metalls auf Grund des Druckentlastungsraums keine Tropfen der flüssigen Phase des Metalls aus der Austrittsöffnung austrägt und zugleich der Füllstand des Reservoirs in weiten Grenzen (beispielsweise 1-5 mm) schwanken kann, ohne dass sich der

Schweredruck der flüssigen Phase des Metalls signifikant ändert, ist der Druckkopf somit besonders tolerant im Hinblick auf die Nachschubrate. Die Vorschubvorrichtung kann somit einfach, robust und kostengünstig gestaltet sein. Beispielsweise kann eine Drahtvorschubplatte verwendet werden, die über eine Zwei-Punkt-Messung des Füllstands in gewissen Zeitabständen ein- bzw.

ausgeschaltet wird. Eine aufwendige und kostenintensive Kraft-Weg-Regelung ist somit nicht erforderlich.

Die vergrößerte Toleranz im Hinblick auf die Nachschubrate ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Tropfen der flüssigen Phase des Metalls durch eine mit dem Stempel in die flüssige Phase des Metalls eingekoppelte Druckwelle ausgetragen werden. Die Austragsrate kann dann nicht mehr über das vom Stempel verdrängte Volumen abgeschätzt werden, sondern hängt insbesondere von der Periodendauer und vom Hubverlauf der Bewegung des Stempels ab.

Auch kann ein Draht aus dem Metall beispielsweise über einen Bowdenzug zugeführt werden. Dies verringert das Gewicht des Druckkopfes, da die

Drahtvorschubplatte an einem ortsfesten Gestell des 3D-Druckers angebracht werden kann. Je leichter der bewegte Druckkopf selbst ist, desto schneller kann er im Betrieb des 3D-Druckers bewegt werden und desto weniger Kraft ist für den diesbezüglichen Antrieb erforderlich.

Vorteilhaft ist ein elektromagnetischer Aktor, und/oder ein Piezoaktor, als

Antriebsquelle für die Bewegung des Stempels vorgesehen. Insbesondere ein Piezoaktor kann schnell große Kräfte erzeugen und beispielsweise verwendet werden, um eine hochfrequente resonante Schwingung in die flüssige Phase des Metalls einzukoppeln, die sich zum Austrag eines Tropfens aufschaukelt. In den Versuchen der Erfinder wurden Piezoaktoren aus Dieselinjektoren verwendet.

Vorteilhaft ist mindestens ein Federelement zur Vorspannung des Stempels, und/oder zur Beaufschlagung des Stempels mit einer Rückstellkraft, vorgesehen. Dies erleichtert es insbesondere, den Stempel in einer in die flüssige Phase des Metalls hinein gerichteten Richtung mit einer anderen Geschwindigkeit zu bewegen als in der entgegengesetzten Richtung. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, den Stempel zum Austrag eines Tropfens schnell vorzuschieben, aber vergleichsweise langsam zurückzuziehen, damit sich die flüssige Phase des Metalls in dem Reservoir setzen und einen Zutritt von Umgebungsluft durch die Austrittsöffnung verhindern kann. Wird der Stempel zu schnell zurückgezogen, könnte durch den entstehenden Unterdruck Luft in das Reservoir eingesaugt werden und den weiteren Druckprozess behindern.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kühlung für den Bereich des Aktors vorgesehen. Hierfür kann insbesondere eine Kühlmanschette vorgesehen sein, der innerhalb des Druckkopfes noch weitere Funktionen zugewiesen sein können. Beispielsweise kann die Kühlmanschette eine Abstützung für den Aktor und eventuelle Federelemente bilden und Durchführungen in das Reservoir, insbesondere in den Druckentlastungsraum, enthalten. Eine solche Funktionsintegration ist insbesondere der Miniaturisierung des Druckkopfes förderlich. Hierfür sind additive Herstellungsverfahren, wie beispielsweise selektives Lasersintern, besonders geeignet.

Die flüssige Phase des Metalls kann dem Druckkopf aus einer externen geheizten Quelle zugeführt werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch zusätzlich eine Heizung für das Reservoir vorgesehen, wobei zwischen dem Reservoir und der Kühlung ein thermischer Isolator vorgesehen ist. Dieser Isolator hat vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1 W/m/K, bevorzugt von weniger als 0,2 W/m/K. Die Heizung kann beispielsweise als Heizflansch ausgebildet sein, der zugleich das Reservoir bildet.

Die Heizung kann beispielsweise resistiv oder induktiv erfolgen. Alternativ kann beispielsweise auch eine Gasflamme verwendet werden, was jedoch die Zuführung einer weiteren Energieart erforderlich macht. Die Heizung sollte in ihrer Leistung so dimensioniert sein, dass in der Nähe der Austrittsöffnung eine Temperatur von mindestens 100 K oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls erreichbar ist. Beispielsweise sollte für Aluminium mit einem Schmelzpunkt von 650 °C eine Temperatur von mindestens 750 °C erreichbar sein.

Wird das Reservoir geheizt, so besteht es vorteilhaft aus einem Material mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise mehr als 10 W/m/K, bevorzugt mehr als 40 W/m/K. Mindestens der mit der flüssigen Phase des Metalls in Kontakt kommende Teil des Reservoirs besitzt vorteilhaft weiterhin einen Kontaktwinkel von mehr als 90 ° zur flüssigen Phase des Metalls, so dass das Material schlecht von dem flüssigen Metall benetzt wird. Die Schmelze bleibt dann nicht im Reservoir haften, und der Druckkopf ist einfach zu reinigen. Ein Material, das die genannten Anforderungen erfüllt, ist beispielsweise Keramik.

Die Austrittsöffnung, die beispielsweise als Düse ausgebildet sein kann, ist ein Verschleißteil. Vorteilhaft ist sie daher nicht fest in das Reservoir bzw. in den Heizflansch integriert, sondern über eine lösbare Verbindung, wie beispielsweise eine Schraubverbindung, hiermit verbunden. Besonders wichtig ist die

Materialauswahl. Um einen sauberen Tropfenabriss zu generieren, ist ein Kontaktwinkel zwischen der Düse und der flüssigen Phase des Metalls von über 130 ° vorteilhaft. Beispielsweise haben Graphit und Bornitrid mit flüssigem Aluminium einen Kontaktwinkel in diesem Bereich. Die Düse ist also vorteilhaft zumindest mit einem Material, das den gewünschten Kontaktwinkel zum flüssigen Metall aufweist, innenbeschichtet.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Druckausgleichsraum eine Zuführung für ein Inertgas auf. Ein Inertgas schützt zum einen die flüssige Phase des Metalls vor Oxidation. Zum anderen kann das Inertgas auch verwendet werden, um in dem Reservoir einen konstanten oder nur vergleichweise langsam veränderlichen Basisdruck p einzustellen. Dieser Basisdruck p kann dann durch die Bewegung des Stempels moduliert werden, insbesondere in Form einer Druckwelle, die Tropfen der flüssigen Phase des Metalls aus der Austrittsöffnung treibt.

Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes gemäß der Erfindung. Bei diesem Verfahren wird der Stempel mit einer ersten Geschwindigkeit in Richtung in die flüssige Phase des Metalls hinein bewegt, wobei die erste Geschwindigkeit so bemessen ist, dass eine Druckwelle in die flüssige Phase des Metalls eingekoppelt wird und die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregt. Der Stempel wird mit einer zweiten Geschwindigkeit in der entgegengesetzten Richtung bewegt, wobei die zweite Geschwindigkeit niedriger ist als die erste Geschwindigkeit und so bemessen ist, dass die Setzung der flüssigen Phase des Metalls in dem Reservoir den Zutritt von Umgebungsluft durch die

Austrittsöffnung verhindert.

Dabei kann insbesondere vorteilhaft der Stempel zwischen der Bewegung in Richtung in die flüssige Phase des Metalls und der Bewegung in der

entgegengesetzten Richtung in einer Haltephase in Ruhe gehalten werden.

Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung weiterhin auch auf ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes gemäß der Erfindung. Bei diesem Verfahren wird durch die Zuführung des Inertgases ein Basisdruck p in der flüssigen Phase des Metalls erzeugt wird, wobei durch die Bewegung des Stempels dem Basisdruck p eine Druckwelle überlagert, die die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregt.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.

Ausführungsbeispiele

Es zeigt:

Figur 1 Prinzipskizze eines Druckkopfes 1 gemäß der Erfindung;

Figur 2 Ausführungsbeispiel eines Druckkopfes 1 mit axialer Anordnung des Stempels 5;

Figur 3 Ausführungsbeispiel eines Druckkopfes 1 mit radialer Anordnung des Stempels 5.

Nach Figur 1 umfasst der Druckkopf 1 ein Reservoir 2 für die flüssige Phase 3b des Metalls 3. Das Reservoir 2 ist unterteilt in einen Schmelzeraum 2b, der mit der flüssigen Phase 3b des Metalls 3 gefüllt ist, und einen darüber liegenden Druckausgleichsraum 2a. Der Druckausgleichsraum 2a weist eine Zuführung 12 für ein Inertgas auf, welches im Druckausgleichsraum 2a einen Druck p erzeugt.

Der Stempel 5 ist durch den Druckausgleichsraum 2a in die flüssige Phase 3b des Metalls 3 geführt. Durch Bewegung des Stempels 5 mittels eines Piezoaktors

6 kann eine Druckwelle 13 in die flüssige Phase 3b des Metalls 3 eingekoppelt werden. Die Druckwelle 13 ist eine schnelle Druckänderung, die Tropfen 3c der flüssigen Phase 3b des Metalls 3 aus der Austrittsöffnung 4 im Reservoir 2 treibt. Diese Tropfen 3c lagern sich am herzustellenden Objekt 101 auf dem Substrat 100 an. Der Stempel 5 hat ein Ende 5a und einen Bereich 5b, die in die flüssige

Phase 3b des Metalls eintauchbar sind.

Das Metall 3 wird dem Druckkopf 1 über eine Zuführung 7 in der drahtförmigen festen Phase 3a zugeführt. Die feste Phase 3a ist durch den

Druckausgleichsraum 2a in die flüssige Phase 3b geführt und wird dort aufgeschmolzen. Um die Temperatur im Schmelzeraum 2b über der

Schmelztemperatur des Metalls 3 zu halten, ist der Schmelzeraum 2b mit einer Heizung 10 versehen. Figur 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel des Druckkopfes 1, bei dem der Stempel

5 axial durch den Druckausgleichsraum 2a in die flüssige Phase 3b des Metalls 3 im Schmelzeraum 2b geführt ist. Das Reservoir 2 umfasst eine Vorratszone 2c, die als Sacklochbohrung mit größerem Durchmesser in einen Basisblock 2e ausgeführt ist, sowie eine konzentrisch hierzu angeordnete Endzone 2d, die als durchgehende zylindrische Bohrung in den Basisblock 2e ausgeführt ist. Die

Austrittsöffnung 4 wird begrenzt durch eine Düse 4a aus Graphit, die über einen Halter 14 mit dem Basisblock 2e verbunden ist.

Der Basisblock 2e ist über zwei Heizpatronen 10 heizbar, so dass die

Temperatur im Reservoir 2 über der Schmelztemperatur des Metalls 3 gehalten werden kann. Der Stempel 5 ist über ein Zwischenstück 6a und eine

Spannschraube 6b an den Piezoaktor 6 gekoppelt und durch dessen Anregung in die flüssige Phase 3b des Metalls 3 hinein bewegbar. Zusätzlich ist ein aus einem Tellerfederpaket 8a und einer zugehörigen Einstellschraube 8b bestehendes Federelement 8 vorgesehen, das eine Rückstellkraft auf den Stempel 5 ausübt. Ist der Piezoaktor 6 nicht angeregt, zieht diese Rückstellkraft den Stempel 5 nach oben.

Da der Piezoaktor 6 wärmeempfindlich ist, ist er von einer Kühlmanschette 9 umgeben, in der ein Kühlmittel in einer Spiralbohrung geführt ist. Die

Kühlmanschette 9 ist vom geheizten Basisblock 2e durch einen Isolator 11 isoliert, durch den auch die drahtförmige feste Phase 3a des Metalls 3 sowie die Zuführung 12 für ein Inertgas in den Druckausgleichsraum 2a geführt sind. Der Druckkopf 1 insgesamt ist in einem Halteflansch 15 eingefasst.

Figur 2b zeigt eine Variante dieses Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zu Figur 2a ist der Basisblock 2e hier von einer als Heizflansch ausgebildeten Heizung 10 umgeben. Weiterhin sind die Kühlmanschette 9, der Isolator 11 sowie der Basisblock 2e über Schrauben 16 miteinander verschraubt. Die feste Phase 3a des Metalls 3 ist in Figur 2b aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.

Figur 3a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Druckkopfes 1. Im

Unterschied zu Figur 2 ist hier der Stempel 5 radial in die flüssige Phase 3b des Metalls 3 geführt, und zwar in der Endzone 2d des Reservoirs 2.

Dementsprechend ist die Durchführung des Stempels 5 durch den Basisblock 2e dichtend gegen die flüssige Phase 3b des Metalls 3. Der Aktor 6, der über das Zwischenstück 6a und die Spannschraube 6b an den Stempel 5 gekoppelt ist, ist in einer Hülse 6c untergebracht, die über den Isolator 11 vom Basisblock 2e wärmeisoliert ist. Die Hülse 6c hat einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Hohlraum 9a, der von einer Dichtung 9b verschlossen ist und zusammen mit dieser die Kühlung 9 für den Piezoaktor 6 bildet.

Die Heizung 10 umfasst einen Heizflansch 10a, der zugleich den Basisblock 2e bildet, sowie eine Induktionsheizung 10b, die beide nur auf die Vorratszone 2c des Reservoirs 2 wirken. Die Induktionsheizung 10b ist mit einer Abschirmung 2c versehen. Die Temperatur in der Endzone 2d des Reservoirs 2 wird über einen Temperatursensor 17 überwacht. Die feste Phase 3a des Metalls 3 wird axial von oben durch den

Druckausgleichsraum 2a des Reservoirs 2 zugeführt. Damit diese feste Phase 3a nicht frühzeitig aufschmilzt und die Zuführung eventuell verstopft, ist sie über eine Kühlmanschette 9c gekühlt, welche über einen Isolator IIa vom geheizten Basisblock 2e wärmeisoliert ist. Die Kühlmanschette 9c ist mit Schrauben 16 sowie einem Tellerfederpaket 8c mit Unterlegscheiben mit dem Basisblock 2e verbunden. Der Druckkopf 1 als Ganzes ist wiederum in den Halteflansch 15 eingefasst.

Figur 3b verdeutlicht, wie optional zusätzlich der Füllstand der flüssigen Phase 3b des Metalls 3 im Reservoir 2 überwacht werden kann. Durch die

Kühlmanschette 9c, den Isolator IIa und den als Basisblock 2e fungierenden Heizflansch 10a sind zwei Drähte 18 für die Füllstandsmessung in das Reservoir 2 geführt. Die Durchführung der Drähte 18 durch den Heizflansch 10a ist jeweils mit Keramik-Halsperlen 18a abgedichtet.