DE102015212193A1

DE102015212193A1 - 3D printing with improved form reproduction and strength

Info

Publication number: DE102015212193A1
Application number: DE102015212193.3A
Authority: DE
Inventors: Udo Riegler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2017-01-05
Also published as: WO2017001100A3; WO2017001100A2

Abstract

Druckkopfeinheit (2) für einen 3D-Drucker (1) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (6), umfassend mindestens einen ersten Tropfenerzeuger (21), der zur Aufteilung einer ersten Schmelze (72) eines ersten Ausgangsmaterials (71) in einzelne Tropfen (73) einer ersten Sorte ausgebildet ist, wobei diese Tropfen (73) der ersten Sorte durch Zugabe im flüssigen Aggregatzustand an den zur Form des Objekts (6) gehörigen Orten und anschließendes Erstarren fest zum Objekt (6) verbindbar sind, wobei mindestens ein zweiter Tropfenerzeuger (22, 222, 322, 422, 522) vorgesehen ist, der zur Aufteilung einer zweiten Schmelze (82, 282, 382, 482, 582) eines zweiten Ausgangsmaterials (81, 281, 381, 481, 581) in einzelne Tropfen (83, 283, 383, 483, 583) einer zweiten Sorte ausgebildet ist, wobei der zweite Tropfenerzeuger (22, 222, 322, 422, 522) unabhängig vom ersten Tropfenerzeuger (21) ansteuerbar ist. 3D-Drucker (1) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (6) aus einem ersten Ausgangsmaterial (71) und einem zweiten Ausgangsmaterial (81, 281, 381, 481, 581), wobei der 3D-Drucker (1) mindestens eine Druckkopfeinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mindestens eine Positioniereinheit (3) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Druckkopfeinheit (2) und dem Objekt (6) sowie mindestens eine Steuereinheit (5), die die Druckkopfeinheit (2) und/oder die Positioniereinheit (3) ansteuert, umfasst. Jeweils Verfahren zum Betreiben.A printhead unit (2) for a 3D printer (1) for producing a three-dimensional object (6), comprising at least one first drop generator (21) for dividing a first melt (72) of a first starting material (71) into individual drops (73 ) of a first type, wherein these drops (73) of the first kind are connectable to the object (6) by addition in the liquid state at the locations associated with the shape of the object (6) and subsequent solidification, at least one second drop generator ( 22, 222, 322, 422, 522) which is provided for dividing a second melt (82, 282, 382, 482, 582) of a second starting material (81, 281, 381, 481, 581) into individual drops (83, 283, 383, 483, 583) of a second type, the second drop generator (22, 222, 322, 422, 522) being controllable independently of the first drop generator (21). A 3D printer (1) for producing a three-dimensional object (6) from a first starting material (71) and a second starting material (81, 281, 381, 481, 581), the 3D printer (1) comprising at least one print head unit (2 ) according to one of claims 1 to 6, at least one positioning unit (3) for generating a relative movement between the print head unit (2) and the object (6) and at least one control unit (5) comprising the print head unit (2) and / or the positioning unit (3). Each method of operation.

Description

Die Erfindung betrifft den 3D-Druck aus metallischen Ausgangsmaterialien und stellt hierfür eine Druckkopfeinheit, einen 3D-Drucker sowie Verfahren zum Betreiben zur Verfügung. The invention relates to 3D printing from metallic starting materials and provides for this purpose a printhead unit, a 3D printer and methods of operation.

Stand der Technik State of the art

In 3D-Druckern für Kunststoffe wird das feste Ausgangsmaterial im Druckkopf aufgeschmolzen und an den zur Form des herzustellenden Objekts gehörigen Orten in Form eines Flüssigkeitsstroms zugegeben. Ein dreidimensionales Objekt wird auf diese Weise Schicht für Schicht zusammengesetzt.In 3D printers for plastics, the solid starting material in the print head is melted and added at the locations associated with the shape of the object to be formed in the form of a liquid stream. A three-dimensional object is assembled layer by layer in this way.

Metallische Ausgangsmaterialien werden stattdessen mit einem Tropfenerzeuger in einzelne Tropfen aufgeteilt, die anschließend in flüssiger Form an die zur Form des Objekts gehörigen Orte gebracht werden. Indem die Tropfen erstarren, verbinden sie sich fest zum herzustellenden Objekt. Ein derartiger 3D-Drucker ist beispielsweise aus ( Song-Yi Zhong et al., Journal of Materials Processing Technology 214, 3089–3097 (2014) ) bekannt. Die Druckkopfeinheit dieses 3D-Druckers enthält ein Reservoir für das Ausgangsmaterial und eine Induktionsheizung, mit der dieses Ausgangsmaterial aufgeschmolzen werden kann. Indem die Oberfläche der Schmelze mit einem Gasdruck beaufschlagt wird, werden einzelne Metalltropfen aus einer düsenförmigen Öffnung am Boden des Reservoirs herausgetrieben und an ihren Bestimmungsort geschleudert.Instead, metallic starting materials are divided with a drop generator into individual drops, which are subsequently brought in liquid form to the locations associated with the shape of the object. As the drops solidify, they bind firmly to the object to be made. Such a 3D printer is for example made of ( Song Yi Zhong et al., Journal of Materials Processing Technology 214, 3089-3097 (2014) ) known. The printhead assembly of this 3D printer contains a source reservoir and an induction heater that allows this source material to be melted. By applying a gas pressure to the surface of the melt, individual metal drops are expelled from a nozzle-shaped opening at the bottom of the reservoir and thrown to their destination.

Die Genauigkeit, mit der die gewünschte Form des Objekts reproduziert wird, und die mechanische Festigkeit des erhaltenen Objekts hängen davon ab, inwieweit enge Prozessfenster für die Temperatur der Schmelze in der Druckkopfeinheit und für die Temperatur des Substrats, auf dem das Objekt aufgebaut wird, getroffen werden. Genauigkeit und Festigkeit können gegenläufige Ziele sein. Untersuchungen zu diesem Thema sind beispielsweise in ( M. Orme, E. P. Muntz, „New Techique for Producing Highly Uniform Droplet Streams over an Extended Range of Disturbance Wave-Numbers“, Review of Scientific Instruments 58 (2), 279–284 (1987) ), ( M. Orme, R. F. Smith, „Enhanced aluminum properties by means of precise droplet deposition“, Journal of Manufacturing Science and Engineering – Transactions of the ASME 122 (3), 484–493 (2000) ) sowie ( Yan-pu Chao, Le-hua Qia et al., „Remelting and bonding of deposited aluminum alloy droplets under different droplet and substrate temperatures in metal droplet deposition manufacture“, International Journal of Machine Tools and Manufacture 69, 38–47 (2013) ) veröffentlicht.The accuracy with which the desired shape of the object is reproduced and the mechanical strength of the resulting object depend on the tight process windows for the temperature of the melt in the printhead assembly and for the temperature of the substrate on which the object is being built become. Accuracy and strength can be opposing goals. Studies on this topic are for example in ( M. Orme, EP Muntz, "New Techique for Producing Highly Uniform Droplet Streams to Extended Range of Disturbance Wave Numbers", Review of Scientific Instruments 58 (2), 279-284 (1987). ) M. Orme, RF Smith, "Enhanced Aluminum Properties by Precision Droplet Deposition", Journal of Manufacturing Science and Engineering - Transactions of the ASME 122 (3), 484-493 (2000) ) such as ( Yan-pu Chao, Le-hua Qia et al., International Journal of Machine Tools and Manufacture 69, 38-47 (2013), "Remelting and bonding of deposited aluminum alloy droplets and substrate droplets in metal droplet deposition manufacture". ) released.

Tropfenerzeuger für metallische Materialien sind weiterhin aus der US 5,171,360 A , aus der US 5,226,948 A , aus der WO 2001 091 524 A1 sowie aus der WO 2001 091 525 A1 bekannt.Drop generators for metallic materials are still from the US 5,171,360 A , from the US 5,226,948 A , from the WO 2001 091 524 A1 as well as from the WO 2001 091 525 A1 known.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Im Rahmen der Erfindung wurde eine Druckkopfeinheit für einen 3D-Drucker zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts konzipiert. Diese Druckkopfeinheit umfasst mindestens einen ersten Tropfenerzeuger, der zur Aufteilung einer ersten Schmelze eines ersten Ausgangsmaterials in einzelne Tropfen einer ersten Sorte ausgebildet ist. Diese Tropfen der ersten Sorte sind durch Zugabe im flüssigen Aggregatzustand an den zur Form des Objekts gehörigen Orten und anschließendes Erstarren fest zum Objekt verbindbar. In the context of the invention, a print head unit for a 3D printer for the production of a three-dimensional object has been designed. This print head unit comprises at least one first drop generator, which is designed to divide a first melt of a first starting material into individual drops of a first kind. These drops of the first variety can be fixed to the object by addition in the liquid state of aggregation at the locations associated with the shape of the object and subsequent solidification.

Erfindungsgemäß ist mindestens ein zweiter Tropfenerzeuger vorgesehen, der zur Aufteilung einer zweiten Schmelze eines zweiten Ausgangsmaterials in einzelne Tropfen einer zweiten Sorte ausgebildet ist. Dabei ist dieser zweite Tropfenerzeuger unabhängig vom ersten Tropfenerzeuger ansteuerbar.According to the invention, at least one second drop generator is provided, which is designed to divide a second melt of a second starting material into individual drops of a second kind. In this case, this second drop generator can be controlled independently of the first drop generator.

Der Erfinder hat erkannt, dass es grundsätzlich schwierig ist, aus näherungsweise kugelförmigen Tropfen einer einzigen Sorte ein ausgefülltes Volumen mit definierten Konturen zu fertigen. Die Kugelform der Tropfen kann im fertigen Objekt nicht erhalten bleiben, denn selbst bei der dichtesten Kugelpackung wäre das Volumen nur zu 74% ausgefüllt, und die Kugeln wären nur über sehr kleine Kontaktstellen miteinander verbunden. Die Festigkeit des erhaltenen Objekts wäre ungenügend. Daher werden die Tropfen beim Eintreffen an ihrem Bestimmungsort weiter aufgeschmolzen werden (remelting), was sowohl den Zusammenhalt der Tropfen verbessert als auch das Volumen besser ausfüllt. Diesem weiteren Aufschmelzen ist jedoch eine Grenze gesetzt, da die letztendlich erhaltene Form des fertigen Objekts immer schwerer kontrollierbar wird. Daher verfolgt der Erfinder den Ansatz, die Lücken, die beim Zusammensetzen der Tropfen der ersten Sorte bleiben, mit Tropfen der zweiten Sorte auszufüllen. Dabei können beide Ausgangsmaterialien stofflich identisch sein, so dass sich die Tropfen der beiden Sorten beispielsweise nur in ihrer Form und/oder in ihrer Größe unterscheiden können. Es können jedoch auch unterschiedliche Ausgangsmaterialien für die Tropfen beider Sorten verwendet werden, so dass das Objekt als sehr definierte Legierung beider Ausgangsmaterialien aufgebaut wird. Die Ausgangsmaterialien können insbesondere Metalle sein.The inventor has recognized that it is fundamentally difficult to produce a filled volume of defined contours from approximately spherical drops of a single variety. The spherical shape of the drops can not be preserved in the finished object, because even with the densest sphere packing the volume would be filled only to 74%, and the balls would be connected only via very small contact points. The strength of the resulting object would be insufficient. Therefore, the drops will be remelted on arrival at their destination further, which improves both the cohesion of the drops and better fill the volume. However, there is a limit to this further melting since the final shape of the finished object is becoming increasingly difficult to control. Therefore, the inventor pursues the approach of filling the gaps remaining in the composition of the drops of the first variety with drops of the second variety. In this case, both starting materials can be materially identical, so that the drops of the two varieties can differ, for example, only in their shape and / or in their size. However, it is also possible to use different starting materials for the drops of both types, so that the object is built up as a very defined alloy of both starting materials. The starting materials may in particular be metals.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Tropfenerzeuger zur Herstellung von Tropfen einer zweiten Sorte ausgebildet, die kleiner sind als die Tropfen der ersten Sorte. Die Tropfen der zweiten Sorte eignen sich dann besonders gut dazu, Lücken in einem Gitter aus Tropfen der ersten Sorte auszufüllen. Je besser die Lücken ausgefüllt sind und je kompakter das hergestellte Objekt insgesamt ist, desto größer ist die mechanische Festigkeit des Objekts. Im Idealfall kann das Objekt eine größere Festigkeit aufweisen als die Ausgangsmaterialien im jeweiligen Rohzustand.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the second drop generator for the production of drops of a second variety are formed, which are smaller than the drops of the first variety. The drops of the second variety are then particularly well suited to gaps in a grid To fill out drops of the first kind. The better the gaps are filled and the more compact the object produced is, the greater the mechanical strength of the object. Ideally, the object may have a greater strength than the starting materials in the respective raw state.

Besonders vorteilhaft ist der zweite Tropfenerzeuger zur Herstellung von Tropfen einer zweiten Sorte ausgebildet, die einen Durchmesser von 25 % bis 45 %, bevorzugt von 30 % bis 45 %, des Durchmessers der Tropfen der ersten Sorte aufweisen. Ein Tropfen der zweiten Sorte hat dann in etwa das Volumen, das in einem regelmäßigen Gitter aus Tropfen der ersten Sorte zwischen benachbarten Tropfen der ersten Sorte frei bleibt. Particularly advantageously, the second drop generator is designed for the production of drops of a second variety, which have a diameter of 25% to 45%, preferably from 30% to 45%, of the diameter of the drops of the first variety. A drop of the second variety then has approximately the volume remaining free in a regular lattice of drops of the first variety between adjacent drops of the first variety.

Vorteilhaft weist der erste Tropfenerzeuger ein erstes Reservoir für die erste Schmelze mit einem als Düse ausgebildeten ersten Auslass für die erste Schmelze auf. Der zweite Tropfenerzeuger weist ein zweites Reservoir für die zweite Schmelze mit einem als Düse ausgebildeten zweiten Auslass für die zweite Schmelze auf. Die Größe der entstehenden Tropfen kann dann insbesondere über den Düsendurchmesser eingestellt werden. Ein Tropfenerzeuger emittiert Tropfen, deren Durchmesser etwa das 1,89-Fache des Düsendurchmessers beträgt. Um beide Tropfenerzeuger unabhängig voneinander ansteuerbar zu machen, kann das erste Reservoir, und/oder das zweite Reservoir, auf der dem ersten Auslass bzw. dem zweiten Auslass abgewandten Seite der ersten Schmelze bzw. der zweiten Schmelze Mittel zur Beaufschlagung mit einem Gasdruck p aufweisen. Der Gasdruck p kann insbesondere mit einem Ventil, beispielsweise mit einem Magnetventil oder mit eine Piezoaktor, in das Reservoir eingesteuert werden. Das eingesteuerte Gas kann insbesondere ein Inertgas, beispielsweise Argon, sein.Advantageously, the first drop generator has a first reservoir for the first melt with a first outlet formed as a nozzle for the first melt. The second drop generator has a second reservoir for the second melt with a second outlet formed as a nozzle for the second melt. The size of the resulting drops can then be adjusted in particular via the nozzle diameter. A drop generator emits drops whose diameter is about 1.89 times the nozzle diameter. In order to make both droplet generators controllable independently of one another, the first reservoir, and / or the second reservoir, on the side of the first melt or the second melt facing away from the first outlet or the second outlet can have means for applying a gas pressure p. The gas pressure p can be controlled in particular with a valve, for example with a solenoid valve or with a piezoelectric actuator in the reservoir. The injected gas may in particular be an inert gas, for example argon.

Jeder Tropfenerzeuger kann periodisch angesteuert werden, beispielsweise mit einem Funktionsgenerator, der eine Sinus- oder Kosinuswelle ausgibt. Es können dann in der Größenordnung 24.000 Tropfen pro Sekunde emittiert werden, so dass der Durchsatz an Ausgangsmaterial sehr groß ist. Beispielsweise kann eine monodisperse Kette aus Einzeltropfen emittiert werden. Alternativ oder auch in Kombination können immer im Wechsel die Druckkopfeinheit und das Substrat, bzw. das darauf entstehende Objekt, zueinander neu relativ positioniert und anschließend ein einzelner Tropfen ausgelöst werden („Drop on demand“). Das Positionieren ist dann nicht an den Takt des Tropfenerzeugers gebunden, sondern die Tropfenerzeugung richtet sich umgekehrt danach, wie schnell das Positionieren erfolgen kann. Die Geschwindigkeit für das Positionieren kann dann vorteilhaft so gewählt werden, dass keine übermäßig hohen Beschleunigungskräfte auftreten. Each drop generator can be periodically driven, for example with a function generator that outputs a sine or cosine wave. It can then be emitted in the order of 24,000 drops per second, so that the throughput of starting material is very large. For example, a monodisperse chain of single drops may be emitted. Alternatively or in combination, the printhead unit and the substrate, or the object resulting therefrom, can always be relatively repositioned relative to one another and subsequently a single drop can be triggered ("drop on demand"). The positioning is then not tied to the clock of the drop generator, but the drop generation is inversely dependent on how fast the positioning can be done. The speed for the positioning can then be selected advantageously so that no excessive acceleration forces occur.

Vorteilhaft sich die Ausstoßrichtungen des ersten Auslasses und des zweiten Auslasses aufeinander ausgerichtet, so dass Geraden entlang dieser Ausstoßrichtungen sich entweder schneiden oder in einem Abstand passieren, der höchsten der Summe des Radius eines Tropfens der ersten Sorte und des Radius eines Tropfens der zweiten Sorte entspricht. Nach dem Aufbringen eines Tropfens der ersten Sorte kann dann unmittelbar ein Tropfen der zweiten Sorte an der richtigen Stelle aufgebracht werden, ohne das die Druckkopfeinheit relativ zum Substrat, bzw. relativ zum darauf entstehenden Objekt, neu positioniert werden muss. Advantageously, the ejection directions of the first outlet and the second outlet are aligned so that straight lines along these ejection directions intersect or pass at a distance equal to the sum of the radius of a first grade drop and the radius of a second grade drop. After the application of a drop of the first grade, a drop of the second type can then be applied directly to the correct location, without the printhead unit having to be repositioned relative to the substrate or relative to the object formed thereon.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Tropfenerzeuger ein regelmäßiges Gitter von Auslässen für die erste Schmelze auf, und der zweite Tropfenerzeuger weist ein regelmäßiges Gitter von Auslässen für die zweite Schmelze auf. Dabei sind die Gitter gegeneinander versetzt und weisen gleiche Gitterkonstanten d₇, d₈ auf.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the first drop generator has a regular grid of outlets for the first melt, and the second drop generator has a regular grid of outlets for the second melt. The grids are offset from each other and have the same lattice constants d ₇ , d ₈ .

Dabei können in jedem Tropfenerzeuger mehrere oder alle Auslässe ein gemeinsames Reservoir für die jeweilige Schmelze aufweisen. Es kann aber auch jeder Auslass ein unabhängiges Reservoir aufweisen.In this case, in each drop generator several or all outlets may have a common reservoir for the respective melt. However, each outlet can also have an independent reservoir.

Die Anordnung einer Vielzahl von Auslässen jeweils in einem regelmäßigen, ein- oder zweidimensionalen Gitter ermöglicht es analog einem Duschkopf, eine Linie bzw. eine Fläche besonders schnell mit einer Schicht zu belegen, die beide Ausgangsmaterialien enthält. Wird beispielsweise das herzustellende Objekt aus diskreten würfel- oder quaderförmigen Elementarkörpern (Voxeln) zusammengesetzt, so kann eine derartige Schicht die Grundfläche dieses Elementarkörpers bedecken. Durch Übereinanderstapeln mehrerer Schichten kann das Volumen des Elementarkörpers sukzessive aufgefüllt werden. The arrangement of a plurality of outlets each in a regular, one- or two-dimensional grid makes it possible, analogously to a shower head, to occupy a line or a surface particularly quickly with a layer containing both starting materials. If, for example, the object to be produced is composed of discrete cuboidal or cuboidal elementary bodies (voxels), then such a layer can cover the base surface of this elementary body. By stacking several layers, the volume of the elementary body can be filled successively.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Druckkopfeinheit. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Schmelze auf einer höheren Temperatur gehalten wird als die erste Schmelze. Insbesondere können beide Ausgangsmaterialien metallisch sein, und die zweite Schmelze kann auf einer um mindestens 100° C höheren Temperatur gehalten werden als die erste Schmelze. Ein Tropfen der zweiten Sorte ist dann in einem solchen Maße weicher als das bereits vorhandene Gitter aus Tropfen der ersten Sorte, dass dieses Gitter im Wesentlichen unangetastet bleibt und nur der Tropfen der zweiten Sorte verformt wird, um die im Gitter verbliebene Lücke vollständig auszufüllen. The invention also relates to a method for operating the printhead unit according to the invention. The method is characterized in that the second melt is kept at a higher temperature than the first melt. In particular, both starting materials may be metallic, and the second melt may be maintained at a temperature at least 100 ° C higher than the first melt. A second grade drop is then softer to such an extent than the already existing first grade drop grid that this grid remains substantially untouched and only the second grade drop is deformed to completely fill the gap left in the grid.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als erstes Ausgangsmaterial, und/oder als zweites Ausgangsmaterial, gewählt. Aluminium hat einen Schmelzpunkt von 660 °C. Die Temperatur der ersten Schmelze im ersten Reservoir kann dann beispielsweise zwischen 750 °C und 800 °C gehalten werden. Aus dieser Schmelze können große Tropfen der ersten Sorte gebildet werden, die nach dem Auftreffen auf das Substrat, bzw. auf das darauf entstehende Objekt, alsbald erkalten und ihre Form nicht weiter verändern. Die zweite Schmelze im zweiten Reservoir kann dann bei einer Temperatur von 900 °C oder mehr gehalten werden. Hieraus können kleine Tropfen der zweiten Sorte gebildet werden, die beim Auftreffen auf das entstehende Objekt in die Lücke zwischen den bereits vorhandenen Tropfen der ersten Sorte hineinfließen, ohne das aus diesen Tropfen der ersten Sorte gebildete Gitter zu beschädigen.In a particularly advantageous embodiment of the invention is aluminum or a Aluminum alloy as the first starting material, and / or as a second starting material selected. Aluminum has a melting point of 660 ° C. The temperature of the first melt in the first reservoir can then be maintained between 750 ° C and 800 ° C, for example. From this melt, large drops of the first variety can be formed, which after the impact on the substrate, or on the resulting object, immediately cool and do not change their shape further. The second melt in the second reservoir may then be maintained at a temperature of 900 ° C or more. From this small drops of the second variety can be formed, which flow into the gap between the already existing drops of the first variety when hitting the resulting object without damaging the lattice formed from these drops of the first variety.

Ein weiteres Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Druckkopfeinheit zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Tropfenerzeuger und der zweite Tropfenerzeuger im Wechsel angesteuert werden. Dann verschmilzt ein Tropfen der zweiten Sorte jeweils besonders gut mit den Tropfen der ersten Sorte, die unmittelbar vor bzw. nach diesem Tropfen der zweiten Sorte emittiert wurden. Diese Ausgestaltung des Verfahrens ist besonders vorteilhaft in Kombination mit der Ausgestaltung der Druckkopfeinheit, in der beide Tropfenerzeuger jeweils ein regelmäßiges Gitter von Auslässen aufweisen. Werden beispielsweise zunächst aus allen Auslässen des ersten Tropfenerzeugers, anschließend aus allen Auslässen des zweiten Tropfenerzeugers und dann wieder aus allen Auslässen des ersten Tropfenerzeugers jeweils gleichzeitig Tropfen emittiert, während die Druckkopfeinheit lateral in der gleichen Position verbleibt, so wachsen Schichten aus den Ausgangsmaterialien aufeinander auf, die untereinander besonders gut verschmolzen sind.Another method for operating a printhead unit according to the invention is characterized in that the first drop generator and the second drop generator are controlled alternately. Then a drop of the second variety fuses particularly well with the drops of the first variety, which were emitted immediately before or after this drop of the second variety. This embodiment of the method is particularly advantageous in combination with the design of the print head unit, in which both drop generators each have a regular grid of outlets. If, for example, first of all outlets simultaneously emit drops from all the outlets of the first drop generator, then out of all the outlets of the second drop generator and then again out of all outlets of the first drop generator, while the print head unit remains laterally in the same position, then layers of the starting materials grow on one another, which are particularly well merged with each other.

Im Rahmen der Erfindung wurde auch ein 3D-Drucker zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts aus einem ersten Ausgangsmaterial und einem zweiten Ausgangsmaterial konzipiert, wobei diese Ausgangsmaterialien auch stofflich identisch sein können. Dieser 3D-Drucker umfasst mindestens eine erfindungsgemäße Druckkopfeinheit, mindestens eine Positioniereinheit zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Druckkopfeinheit und dem Objekt sowie mindestens eine Steuereinheit, die die Druckkopfeinheit und/oder die Positioniereinheit ansteuert. Mit diesem 3D-Drucker lassen sich aus metallischen Ausgangsmaterialien Objekte mit einer hohen Festigkeit und mit einer guten Genauigkeit herstellen.In the context of the invention, a 3D printer for producing a three-dimensional object from a first starting material and a second starting material was also designed, wherein these starting materials can also be materially identical. This 3D printer comprises at least one print head unit according to the invention, at least one positioning unit for generating a relative movement between the print head unit and the object, and at least one control unit which controls the print head unit and / or the positioning unit. With this 3D printer, metallic objects can be used to produce high-strength objects with good accuracy.

Besonders vorteilhaft ist mindestens eine Modelliereinheit zum Umwandlung der Form des Objekts in ein aus diskreten Elementarkörpern zusammengesetztes Modell vorgesehen, und die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die Druckkopfeinheit und/oder die Positioniereinheit zur Fertigung der diskreten Elementarkörper des Modells anzusteuern. Die Diskretisierung in Elementarkörper schafft eine zusätzliche Abstraktionsebene. Sie ist insbesondere in Bezug auf möglicherweise einzugehende Kompromisse zwischen der Fertigungsgeschwindigkeit und der Genauigkeit der letztendlich erhaltenen Form unmittelbar einsichtig. Hingegen braucht es den Anwender nicht zu kümmern, auf welche Weise die Elementarkörper letzten Endes aus Tropfen erster Art und Tropfen zweiter Art gebildet werden. Dies ist allein Aufgabe der Steuereinheit. Neue Elementarkörper können nachträglich implementiert und dem Anwender zur Verfügung gestellt werden. Particularly advantageously, at least one modeling unit is provided for converting the shape of the object into a model composed of discrete elementary bodies, and the control unit is designed to control the print head unit and / or the positioning unit for producing the discrete elementary bodies of the model. The discretization into elementary bodies creates an additional level of abstraction. It is immediately obvious, particularly with regard to possible compromises between the production speed and the accuracy of the final shape obtained. On the other hand, the user does not have to worry about the way in which the elementary bodies are ultimately formed from drops of the first kind and drops of the second kind. This is the sole task of the control unit. New elementary bodies can be subsequently implemented and made available to the user.

Die Elementarkörper können insbesondere würfelförmig oder quaderförmig sein. Es können jedoch auch andere geometrische Strukturen, beispielsweise Wabenstrukturen, sinnvoll sein und beispielsweise die Festigkeit des Objekts weiter erhöhen. Das Modell kann insbesondere aus Elementarkörpern zusammengesetzt werden, die sich in ihren Abmessungen und/oder in ihren Volumina unterscheiden. Beispielsweise können Bereiche im Inneren des Objekts aus großen würfelförmigen oder quaderförmigen Elementarkörpern gebildet sein, die sich besonders schnell herstellen lassen. Nahe der Oberfläche des Objekts, wo es auf die Genauigkeit der Form ankommt, können kleinere Elementarkörper und/oder Elementarkörper, mit denen die gewünschte Form der Oberfläche präziser nachgebildet werden kann, gewählt werden.The elementary bodies may in particular be cube-shaped or cuboidal. However, other geometric structures, such as honeycomb structures, may be useful and further increase, for example, the strength of the object. The model can in particular be composed of elementary bodies which differ in their dimensions and / or in their volumes. For example, areas inside the object can be formed from large cube-shaped or cuboid elementary bodies, which can be produced particularly quickly. Near the surface of the object, where the accuracy of the shape is important, smaller elementary bodies and / or elementary bodies, with which the desired shape of the surface can be reproduced more precisely, can be chosen.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt. Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to figures.

Ausführungsbeispieleembodiments

Es zeigt: It shows:

1 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen 3D-Druckers 1 mit aufeinander ausgerichteten Ausstoßrichtungen 24a, 26a der Auslässe 24, 26. 1 Embodiment of the 3D printer according to the invention 1 with aligned ejection directions 24a . 26a the outlets 24 . 26 ,

2 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen 3D-Druckers 1 mit erhöhtem Materialdurchsatz. 2 Embodiment of the 3D printer according to the invention 1 with increased material throughput.

3 Ausfüllung von Lücken in einem Gitter aus Tropfen 73 einer ersten Sorte und Tropfen 83 einer zweiten Sorte. 3 Filling gaps in a grid of drops 73 a first kind and drops 83 a second kind.

4 Beispiel für ein aus diskreten Elementarkörpern 41, 41a–41c zusammengesetztes Modell eines Objekts 6. 4 Example of a discrete elementary body 41 . 41a - 41c composite model of an object 6 ,

5 Ausführungsbeispiel einer Druckkopfeinheit 2 zur Herstellung würfelförmiger Elementarkörper 41, 41a. 5 Embodiment of a printhead unit 2 for producing cube-shaped elementary bodies 41 . 41a ,

Nach 1 umfasst die Druckkopfeinheit 2 des 3D-Druckers 1 einen ersten Tropfenerzeuger 21 und einen zweiten Tropfenerzeuger 22. Der erste Tropfenerzeuger 21 weist ein erstes Reservoir 23 für die Schmelze 72 des ersten Ausgangsmaterials 71 auf. Dieses Reservoir 23 ist von einer Heizung 21a umgeben. Das Reservoir 23 weist einen Auslass 24 für die Schmelze 72 auf. Indem das Reservoir 23 oberhalb des Spiegels der Schmelze 72 über ein erstes Magnetventil 27 mit einem Druckpuls des Drucks p beaufschlagt wird, wird ein aus dem ersten Ausgangsmaterial 71 gebildeter einzelner Tropfen 73 entlang der Ausstoßrichtung 24a aus dem Auslass 24 in Richtung des Objekts 6 geschossen. Das Objekt 6 entsteht auf einer hierfür vorgesehenen Substratoberfläche 31, die zur Positioniereinheit 3 gehört. Durch die Positioniereinheit 3 kann die Substratoberfläche 31, und damit auch das entstehende Objekt 6, gegen die Druckkopfeinheit 2 bewegt werden. To 1 includes the printhead unit 2 of the 3D printer 1 a first drop generator 21 and a second drop generator 22 , The first drop generator 21 has a first reservoir 23 for the melt 72 of the first starting material 71 on. This reservoir 23 is from a heater 21a surround. The reservoir 23 has an outlet 24 for the melt 72 on. By the reservoir 23 above the level of the melt 72 via a first solenoid valve 27 is applied with a pressure pulse of the pressure p, one of the first starting material 71 formed single drop 73 along the ejection direction 24a from the outlet 24 in the direction of the object 6 shot. The object 6 arises on a substrate surface provided for this purpose 31 leading to the positioning unit 3 belongs. Through the positioning unit 3 can the substrate surface 31 , and thus the resulting object 6 , against the printhead unit 2 to be moved.

Die Druckkopfeinheit 2 enthält weiterhin einen zweiten Tropfenerzeuger 22. Dieser umfasst ein zweites Reservoir 25 für die Schmelze 82 des zweiten Ausgangsmaterials 81. Das Reservoir 25 ist von einer Heizung 22a umgeben. Es weist einen Auslass 26 auf. Wenn über das zweite Magnetventil 28 ein Druckpuls mit dem Druck p in das Reservoir 25 eingesteuert wird, wird ein aus dem zweiten Ausgangsmaterial 81 gebildeter einzelner Tropfen 83 einer zweiten Sorte entlang der Ausstoßrichtung 26a aus der Öffnung 26 herausgeschossen. The printhead unit 2 also contains a second drop generator 22 , This includes a second reservoir 25 for the melt 82 of the second starting material 81 , The reservoir 25 is from a heater 22a surround. It has an outlet 26 on. If over the second solenoid valve 28 a pressure pulse with the pressure p in the reservoir 25 is one of the second starting material 81 formed single drop 83 a second variety along the ejection direction 26a out of the opening 26 shot out.

Dabei sind die Ausstoßrichtungen 24a und 26a so aufeinander ausgerichtet, dass sich Geraden entlang dieser Ausstoßrichtungen 24a und 26a im Bereich des Objekts 6 schneiden. Der zweite Tropfenerzeuger 22 ist mechanisch fest mit dem ersten Tropfenerzeuger 21 gekoppelt, so dass jede Relativbewegung zwischen dem Objekt 6 und dem ersten Tropfenerzeuger 21 auch als analoge Relativbewegung zwischen dem Objekt 6 und dem zweiten Tropfenerzeuger 22 wirkt. Here are the ejection directions 24a and 26a aligned so that straight lines along these ejection directions 24a and 26a in the area of the object 6 to cut. The second drop generator 22 is mechanically strong with the first drop generator 21 coupled, allowing any relative movement between the object 6 and the first drop generator 21 also as an analogous relative movement between the object 6 and the second drop generator 22 acts.

Das erste Magnetventil 27 ist über eine Steuerleitung 51 mit der Steuereinheit 5 verbunden. Das zweite Magnetventil 28 ist über die Steuerleitung 52 mit der Steuereinheit 5 verbunden. Die Steuereinheit 5 steuert über eine dritte Steuerleitung 50 auch die Bewegung der Positioniereinheit 3. Als Eingabe erhält die Steuereinheit 5 das von der Modelliereinheit 4 erstellte Modell 42, in dem die Form des Objekts 6 in diskrete, in 1 nicht eingezeichnete, Elementarkörper 41 unterteilt ist.The first solenoid valve 27 is via a control line 51 with the control unit 5 connected. The second solenoid valve 28 is via the control line 52 with the control unit 5 connected. The control unit 5 controls via a third control line 50 also the movement of the positioning unit 3 , As input receives the control unit 5 that from the modeling unit 4 created model 42 in which the shape of the object 6 in discrete, in 1 not drawn, elementary bodies 41 is divided.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel gemäß 1 nur hinsichtlich der Druckkopfeinheit 2. Im Unterschied zu 1 sind neben dem ersten Tropfenerzeuger 21, der mit dem ersten Ausgangsmaterial 71 gefüllt ist, ein zweiter Tropfenerzeuger 222, ein dritter Tropfenerzeuger 322, ein vierter Tropfenerzeuger 422 sowie ein fünfter Tropfenerzeuger 522 vorgesehen.The embodiment according to 2 differs from the embodiment according to 1 only with regard to the printhead unit 2 , In contrast to 1 are next to the first drop generator 21 that with the first starting material 71 is filled, a second drop generator 222 , a third drop generator 322 , a fourth drop generator 422 and a fifth drop generator 522 intended.

Der zweite Tropfenerzeuger 222 enthält ein Reservoir 225 für die Schmelze 282 des zweiten Ausgangsmaterials 281. Das Reservoir 225 ist von einer Heizung 222a umgeben. Das Reservoir 225 enthält einen Auslass 226, aus dem entlang einer Ausstoßrichtung 226a ein aus dem zweiten Ausgangsmaterial 281 gebildeter Tropfen 283 einer zweiten Sorte geschossen werden kann. Um einen Tropfen 283 zu erzeugen, kann über ein Magnetventil 228, dass über eine Steuerleitung 252 mit der Steuereinheit 5 verbunden ist, ein Druck p in das Reservoir 225 eingesteuert werden.The second drop generator 222 contains a reservoir 225 for the melt 282 of the second starting material 281 , The reservoir 225 is from a heater 222a surround. The reservoir 225 contains an outlet 226 , from along an ejection direction 226a one from the second starting material 281 formed drop 283 a second variety can be shot. To a drop 283 can generate via a solenoid valve 228 that over a control line 252 with the control unit 5 is connected, a pressure p in the reservoir 225 be controlled.

Der dritte Tropfenerzeuger 322 enthält ein Reservoir 325 für die Schmelze 382 des dritten Ausgangsmaterials 381. Das Reservoir 325 ist von einer Heizung 322a umgeben. Das Reservoir 325 enthält einen Auslass 326, aus dem entlang einer Ausstoßrichtung 326a ein aus dem dritten Ausgangsmaterial 381 gebildeter Tropfen 383 einer dritten Sorte geschossen werden kann. Um einen Tropfen 383 zu erzeugen, kann über ein Magnetventil 328, dass über eine Steuerleitung 352 mit der Steuereinheit 5 verbunden ist, ein Druck p in das Reservoir 325 eingesteuert werden.The third drop generator 322 contains a reservoir 325 for the melt 382 of the third starting material 381 , The reservoir 325 is from a heater 322a surround. The reservoir 325 contains an outlet 326 , from along an ejection direction 326a one from the third starting material 381 formed drop 383 a third variety can be shot. To a drop 383 can generate via a solenoid valve 328 that over a control line 352 with the control unit 5 is connected, a pressure p in the reservoir 325 be controlled.

Der vierte Tropfenerzeuger 422 enthält ein Reservoir 425 für die Schmelze 482 des vierten Ausgangsmaterials 481. Das Reservoir 425 ist von einer Heizung 422a umgeben. Das Reservoir 425 enthält einen Auslass 426, aus dem entlang einer Ausstoßrichtung 426a ein aus dem vierten Ausgangsmaterial 481 gebildeter Tropfen 483 einer vierten Sorte geschossen werden kann. Um einen Tropfen 483 zu erzeugen, kann über ein Magnetventil 428, dass über eine Steuerleitung 452 mit der Steuereinheit 5 verbunden ist, ein Druck p in das Reservoir 425 eingesteuert werden.The fourth drop generator 422 contains a reservoir 425 for the melt 482 of the fourth starting material 481 , The reservoir 425 is from a heater 422a surround. The reservoir 425 contains an outlet 426 , from along an ejection direction 426a one from the fourth starting material 481 formed drop 483 a fourth variety can be shot. To a drop 483 can generate via a solenoid valve 428 that over a control line 452 with the control unit 5 is connected, a pressure p in the reservoir 425 be controlled.

Der fünfte Tropfenerzeuger 522 enthält ein Reservoir 525 für die Schmelze 582 des fünften Ausgangsmaterials 581. Das Reservoir 525 ist von einer Heizung 522a umgeben. Das Reservoir 525 enthält einen Auslass 526, aus dem entlang einer Ausstoßrichtung 526a ein aus dem fünften Ausgangsmaterial 581 gebildeter Tropfen 583 einer fünften Sorte geschossen werden kann. Um einen Tropfen 583 zu erzeugen, kann über ein Magnetventil 528, dass über eine Steuerleitung 552 mit der Steuereinheit 5 verbunden ist, ein Druck p in das Reservoir 525 eingesteuert werden.The fifth drop generator 522 contains a reservoir 525 for the melt 582 of the fifth starting material 581 , The reservoir 525 is from a heater 522a surround. The reservoir 525 contains an outlet 526 , from along an ejection direction 526a one from the fifth starting material 581 formed drop 583 a fifth variety can be shot. To a drop 583 can generate via a solenoid valve 528 that over a control line 552 with the control unit 5 is connected, a pressure p in the reservoir 525 be controlled.

Alle Tropfenerzeuger 21, 22, 322, 422 und 522 sind fest mit einer Montageplatte 200 verbunden. Dadurch ist auch gewährleistet, dass alle Ausstoßrichtungen 24a, 226a, 326a, 426a und 526a parallel zueinander stehen. Um einen Tropfen 283 der zweiten Sorte, einen Tropfen 383 der dritten Sorte, einen Tropfen 483 der vierten Sorte oder einen Tropfen 583 der fünften Sorte an einen unmittelbar zuvor am Objekt 6 angelagerten Tropfen 73 der ersten Sorte anzulagern, muss die Positioniereinheit 3 so angesteuert werden, dass der Zielort für den Tropfen 283, 383, 483 bzw. 483 in der Verlängerung der entsprechenden Ausstoßrichtung 226a, 326a, 426a oder 526a liegt. Im Gegenzug bietet die Vielzahl an Tropfenerzeugern 21, 222, 322, 422, 522 den Vorteil, dass pro Zeiteinheit insgesamt wesentlich mehr Ausgangsmaterial 71, 281, 381, 481, 581 verarbeitet werden kann. Zwei oder mehr der Ausgangsmaterialien 71, 281, 381, 481 und 581 können vorteilhaft vollständig oder aber in bestimmten Eigenschaften, beispielsweise stofflich, identisch sein. All drop generators 21 . 22 . 322 . 422 and 522 are fixed with a mounting plate 200 connected. This also ensures that all ejection directions 24a . 226a . 326a . 426a and 526a parallel to each other. To a drop 283 the second kind, a drop 383 the third kind, a drop 483 the fourth variety or a drop 583 the fifth variety to one immediately before the object 6 accumulated drops 73 To store the first grade, the positioning unit 3 be controlled so that the destination for the drop 283 . 383 . 483 respectively. 483 in the extension of the corresponding ejection direction 226a . 326a . 426a or 526a lies. In return, offers the variety of drop generators 21 . 222 . 322 . 422 . 522 the advantage that per unit time a whole lot more starting material 71 . 281 . 381 . 481 . 581 can be processed. Two or more of the starting materials 71 . 281 . 381 . 481 and 581 may advantageously be complete or in certain properties, such as material, identical.

3 verdeutlicht das Ausfüllen eines Volumens mit Ausgangsmaterial 71, 81, 281, 381, 481, 581, dass in Tropfenform aufgebracht wird. 3a zeigt die Ausfüllung des Volumens mit nur einer Sorte von Tropfen 73, die jeweils einen Durchmesser d₁ aufweisen und durch räumlichen Versatz so ineinander gestellt sind, dass das resultierende regelmäßige Gitter eine Gitterkonstante d₂ < d₁ hat. Die Tropfen 73 überlappen sich vorteilhaft um Beträge bis zu 10 % des Durchmessers d₁. Die Tropfen 73 berühren einander nur an kleinen Kontaktflächen a bis g. Zwischen den Tropfen 73 gibt es Lücken 74, die die Struktur des aus den Tropfen 73 gebildeten Objekts 6 schwächen. 3 illustrates the filling of a volume with starting material 71 . 81 . 281 . 381 . 481 . 581 in that it is applied in drop form. 3a shows the filling of the volume with only one sort of drops 73 , each having a diameter d ₁ and are set by spatial offset in such a way that the resulting regular grid has a lattice constant d ₂ <d ₁ . The drops 73 advantageously overlap by amounts up to 10% of the diameter d ₁ . The drops 73 touch each other only on small contact surfaces a to g. Between the drops 73 there are gaps 74 showing the structure of the drop 73 formed object 6 weaknesses.

3b verdeutlicht, wie diesem Problem gemäß der Erfindung durch die Tropfen 83 der zweiten Sorte abgeholfen wird. Um zu dem in 3b gezeigten Zustand zu kommen, wurden zunächst die vier Tropfen 73 der ersten Sorte aufgebracht. Anschließend wurden die drei Tropfen 83 der zweiten Sorte aufgebracht. 3b illustrates how this problem according to the invention by the drops 83 the second variety is remedied. To go to that in 3b First, the four drops were coming 73 the first kind applied. Subsequently, the three drops 83 of the second kind applied.

3c zeigt den Endzustand des Objekts 6. Im Vergleich zu 3b wurden zwei weitere Tropfen 73 der ersten Sorte aufgebracht. Das Volumen ist jetzt im Inneren des Objekts 6 komplett ausgefüllt ohne Lücken 74. Auf diese Weise sind alle Einzeltropfen 73 und 83 maximal miteinander verschmolzen, so dass die Mikrostruktur des Objekts 6 homogen ist und seine Festigkeit vorteilhaft erhöht ist. 3c shows the final state of the object 6 , Compared to 3b were two more drops 73 the first kind applied. The volume is now inside the object 6 completely filled out without gaps 74 , In this way, all the individual drops 73 and 83 maximally fused together, so that the microstructure of the object 6 is homogeneous and its strength is advantageously increased.

Die Tropfen 73 der ersten Sorte stammen aus einer Düse 24 mit einem Durchmesser von 0,3 mm. Somit haben die Tropfen 73 einen Durchmesser d₁ von 0,571 mm. Die Tropfen 73 sind so weit ineinander gestellt, dass die Gitterkonstante d₂ des entstehenden regelmäßigen Gitters nur 90% des Durchmessers d₁ der Tropfen 73 beträgt. Eine würfelförmige Elementarzelle mit einer Kantenlänge, die der Gitterkonstanten d₂ entspricht, hat ein Volumen von 0,136 mm³. Hiervon ist noch ein Anteil von 0,038 mm³ unausgefüllt. Damit ein Tropfen 83 der zweiten Sorte dieses Restvolumen ausfüllt, wird ein Tropfen 83 mit einem Durchmesser von 0,21 mm benötigt. Um einen solchen Tropfen 83 herzustellen, wird eine Düse 26 mit einem Durchmesser von 0,11 mm benötigt. The drops 73 the first variety come from a nozzle 24 with a diameter of 0.3 mm. Thus, the drops have 73 a diameter d ₁ of 0.571 mm. The drops 73 are so close together that the lattice constant d _{2 of} the resulting regular grid only 90% of the diameter d _{1 of} the drops 73 is. A cube-shaped unit cell with an edge length corresponding to the lattice constant d ₂ has a volume of 0.136 mm ³ . Of this, a proportion of 0.038 mm ³ is still unfilled. With it a drop 83 the second species fills in this residual volume becomes a drop 83 needed with a diameter of 0.21 mm. To such a drop 83 produce, becomes a nozzle 26 needed with a diameter of 0.11 mm.

Da der Kontakt zwischen den Tropfen 73 der ersten Sorte nicht mehr nur durch die kleinen Kontaktflächen a bis g vermittelt wird, sondern zusätzlich auch durch die Tropfen 83 der zweiten Sorte, hängt die Festigkeit des hergestellten Objekts 6 nicht mehr so kritisch von den genauen relativen Positionierung aller Tropfen 73 und 83 zueinander ab. Dies ist umso vorteilhafter, je mehr Tropfen 73 und 83 pro Sekunde aufgebracht werden sollen. Nach dem bisherigen Stand der Technik war es bereits sehr anspruchsvoll, für eine Repetitionsrate von 300 Tropfen pro Sekunde die Positioniereinheit 3 mit der gleichen Frequenz in der geforderten Genauigkeit einstellen zu müssen.Because the contact between the drops 73 The first variety is no longer mediated only by the small contact surfaces A to G, but also by the drops 83 of the second variety, depends on the strength of the manufactured object 6 no longer so critical of the exact relative positioning of all drops 73 and 83 to each other. This is more advantageous, the more drops 73 and 83 should be applied per second. According to the prior art, it was already very demanding, for a repetition rate of 300 drops per second, the positioning unit 3 to set with the same frequency in the required accuracy.

Indem die Temperatur der Schmelze 82, der die Tropfen 83 der zweiten Sorte entstammen, um 100 °C höher gewählt wurde als die Temperatur der Schmelze 72, aus der die Tropfen erster Art 73 erzeugt wurden, waren die Tropfen 83 deutlich weicher als die Tropfen 73. Beim Aufbringen der Tropfen 83 der zweiten Sorte wurde daher der bereits fertiggestellte Teil des aus den Tropfen 73 der ersten Sorte zusammengesetzten Gitters nicht verändert. Die für die Tropfen 83 der zweiten Sorte verwendete Legierung kann als weiterer Freiheitsgrad genutzt werden, um ein optimales Verschmelzen aller Tropfen 73 und 83 zu erzielen. By the temperature of the melt 82 that the drops 83 come from the second variety, was selected to be 100 ° C higher than the temperature of the melt 72 from which the drops of the first kind 73 were produced, were the drops 83 much softer than the drops 73 , When applying the drops 83 The second variety was therefore the already completed part of the drop 73 the first sort of compound grid did not change. The one for the drops 83 Alloy used in the second grade can be used as a further degree of freedom to optimally fuse all drops 73 and 83 to achieve.

4 zeigt beispielhaft die Diskretisierung der Form eines Objekts 6 in ein Modell 42 aus diskreten Elementarkörpern 41a und 41b. Die Elementarkörper 41a, die den größten Anteil des Volumens des Modells 42 ausmachen, sind Würfel mit einer Kantenlänge d₃. Die Elementarkörper 41b sind dreieckige Scheiben mit einer Grundseite d₅, einer Höhe d₄ und einem Winkel α in ihrer Spitze. Ihre Dicke beträgt d₆. 4 shows by way of example the discretization of the shape of an object 6 in a model 42 from discrete elementary bodies 41a and 41b , The elementary bodies 41a that account for the largest share of the volume of the model 42 are cubes with an edge length d ₃ . The elementary bodies 41b are triangular discs with a base d ₅ , a height d ₄ and an angle α in their tip. Its thickness is d ₆ .

Mit den würfelförmigen Elementarkörpern 41a kann derjenige Anteil 62 des Objekts 6 modelliert werden, der nur rechtwinklige Kanten aufweist. Der Anteil 63 mit nicht rechtwinkligen Kanten wird hingegen mit den Elementarkörpern 41b in Form von dreieckigen Scheiben modelliert. Es ist jeweils Aufgabe der Steuereinheit 5, durch geeignetes Ansteuern der Druckkopfeinheit 2 und der Positioniereinheit 3 alle Elementarkörper 41a und 41b nacheinander herzustellen und so das vollständige Objekt 6 zu realisieren. Dabei kann die Geschwindigkeit noch weiter gesteigert werden, indem, wie in 4 angedeutet, jeweils 18 würfelförmige Elementarkörper 41a zu einem quaderförmigen Elementarkörper 41c zusammengefasst werden. Zur Herstellung eines solchen Elementarkörpers 41c können größere Tropfen 73, 83 und damit auch Düsen 24, 26 mit einem größeren Durchmesser eingesetzt werden, was gleichbedeutend ist mit einem größeren Materialdurchsatz pro Zeiteinheit. With the cube-shaped elementary bodies 41a can that portion 62 of the object 6 be modeled having only rectangular edges. The amount 63 with non-rectangular edges, on the other hand, with the elementary bodies 41b modeled in the form of triangular discs. It is each task of the control unit 5 , by suitably driving the print head unit 2 and the positioning unit 3 all elementary bodies 41a and 41b one after the other and thus the complete object 6 to realize. The speed can be further increased by, as in 4 indicated, each 18 cube-shaped elementary body 41a to a cuboid elementary body 41c be summarized. For producing such elementary body 41c can bigger drops 73 . 83 and therefore also nozzles 24 . 26 be used with a larger diameter, which is synonymous with a larger material throughput per unit time.

Die Umwandlung der Form des Objekts 6 in ein aus diskreten Elementarkörpern 41, 41a, 41b, 41c zusammengesetztes Modell 42 ermöglicht insbesondere eine Abstraktion des 3D-Metalldrucks über unterschiedliche Größenordnungen der Objekte 6 hinweg. Die Größenordnungen können beispielsweise in der Zahntechnik von 10 mm³ bis 100 mm³, im Maschinenbau jedoch von 0,1 dm³ bis 5 dm³ reichen. Der Benutzer des 3D-Druckers 1 muss unabhängig von der Größenklasse immer nur Elementarkörper 41, 41a, 41b, 41c zusammensetzen. Es ist allein Sache der Steuereinheit 5, wie der Elementarkörper 41, 41a, 41b, 41c abhängig von der Größenklasse und geforderten Genauigkeit im Einzelnen durch Ansteuerung der Positioniereinheit 3 und der Druckkopfeinheit 2 hergestellt wird. Beispielsweise kann in der Steuereinheit 5 eine Anweisung hinterlegt sein, wie ein Würfel mit Kantenlänge 0,5 mm, 1 mm oder 2 mm durch Schichtung passender Tropfen 73 einer ersten Sorte mit dazwischen angeordneten Tropfen 83 einer zweiten Sorte am besten realisiert werden kann. Der 3D-Drucker 1 kann auch mehrere unterschiedlich dimensionierte Druckkopfeinheiten 2 aufweisen, die je nach Größenklassen des herzustellenden Objekts 6 zum Einsatz kommen. The transformation of the shape of the object 6 in a discrete elementary bodies 41 . 41a . 41b . 41c composite model 42 allows, in particular, an abstraction of 3D metal printing over different orders of magnitude of the objects 6 time. The orders of magnitude can range, for example, from 10 mm ³ to 100 mm ³ in dental technology, but from 0.1 dm ³ to 5 dm ³ in mechanical engineering. The user of the 3D printer 1 Regardless of the size class, it must always be elementary bodies 41 . 41a . 41b . 41c put together. It's all up to the control unit 5 like the elementary body 41 . 41a . 41b . 41c depending on the size class and required accuracy in detail by controlling the positioning unit 3 and the printhead unit 2 will be produced. For example, in the control unit 5 a statement, such as a cube with edge length 0.5 mm, 1 mm or 2 mm by layering matching drops 73 a first variety with interspersed drops 83 a second variety can best be realized. The 3D printer 1 can also have several differently sized printhead units 2 have, depending on the size classes of the object to be produced 6 be used.

Weiterhin können auch mehrere Druckkopfeinheiten 2 gleichzeitig angesteuert werden, um den Materialdurchsatz pro Zeiteinheit weiter zu erhöhen. Furthermore, several printhead units can also be used 2 be controlled simultaneously to further increase the material throughput per unit time.

5a zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckkopfeinheit 2, das speziell zur Herstellung würfelförmiger Elementarkörper 41, 41a geeignet ist. Der erste Tropfenerzeuger 21 umfasst ein regelmäßiges Gitter 240 von 5 × 5 Auslässen 24 für die erste Schmelze 72. Der zweite Tropfenerzeuger 22 umfasst ein regelmäßiges Gitter 260 von 4 × 4 Auslässen 26 für die zweite Schmelze 82. Die Auslässe 24 haben einen Durchmesser von 100 µm, die Auslässe 26 haben einen Durchmesser von 30 µm. Beide Gitter 240 und 260 haben in der horizontalen Richtung eine Gitterkonstante d₇ von 200 µm und in der vertikalen Richtung eine Gitterkonstante d₈ von ebenfalls 200 µm. 5a shows an embodiment of the printhead unit according to the invention 2 , especially for the production of cube-shaped elementary bodies 41 . 41a suitable is. The first drop generator 21 includes a regular grid 240 of 5 × 5 outlets 24 for the first melt 72 , The second drop generator 22 includes a regular grid 260 from 4 × 4 outlets 26 for the second melt 82 , The outlets 24 have a diameter of 100 microns, the outlets 26 have a diameter of 30 microns. Both grids 240 and 260 have a lattice constant d ₇ of 200 μm in the horizontal direction and a lattice constant d ₈ of likewise 200 μm in the vertical direction.

Wenn zunächst alle Auslässe 24 des Gitters 240 gleichzeitig angesteuert werden, so dass sie je einen Tropfen 73 des ersten Ausgangsmaterials 71 emittieren, und anschließend alle Auslässe des Gitters 260 gleichzeitig angesteuert werden, so dass sie je einen Tropfen 83 des zweiten Ausgangsmaterials 81 emittieren, dann ist eine Fläche von 1 µm² im Wesentlichen vollständig mit den Ausgangsmaterialien 71 und 81 belegt. Dieser Zustand ist in 5b skizziert. Da die zweite Schmelze 82 eine höhere Temperatur aufweist als die erste Schmelze 81, wird das zweite Ausgangsmaterial 81 im Überschneidungsbereich 91 zwischen einem Tropfen 83 des zweiten Ausgangsmaterials 81 und einem zuvor aufgebrachten Tropfen 73 des ersten Ausgangsmaterials 71 in Lücken 92 zwischen diesen Tropfen 83 und 73 gedrückt, so dass eine geschlossene Schicht ohne Löcher aus den Ausgangsmaterialien 71 und 81 entsteht. Die Herstellung einer solchen Schicht dauert beispielsweise mit der „Drop on Demand“-Technik, bei der jede Emission eines Tropfens einzeln angeregt wird, etwa 10 ms. If initially all the outlets 24 of the grid 240 be controlled at the same time, so that they each have a drop 73 of the first starting material 71 emit, and then all outlets of the grid 260 be controlled at the same time, so that they each have a drop 83 of the second starting material 81 then an area of 1 μm ² is substantially complete with the starting materials 71 and 81 busy. This condition is in 5b outlined. Because the second melt 82 has a higher temperature than the first melt 81 , becomes the second starting material 81 in the overlap area 91 between a drop 83 of the second starting material 81 and a previously applied drop 73 of the first starting material 71 in gaps 92 between these drops 83 and 73 pressed, leaving a closed layer without holes from the starting materials 71 and 81 arises. The production of such a layer takes, for example, with the "drop on demand" technique, in which each emission of a drop is individually excited, about 10 ms.

Werden durch wechselweises Ansteuern der beiden Tropfenerzeuger 21 und 22 insgesamt fünf derartige Schichten aufeinander gestapelt, ist ein Elementarkörper (Voxel) 41, 41a mit einem Volumen von 1 mm³ im Wesentlichen vollständig ausgefüllt.Be by alternately controlling the two drop generators 21 and 22 a total of five such layers stacked on top of each other is an elementary body (voxel) 41 . 41a essentially completely filled with a volume of 1 mm ³ .

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Yan-pu Chao, Le-hua Qia et al., „Remelting and bonding of deposited aluminum alloy droplets under different droplet and substrate temperatures in metal droplet deposition manufacture“, International Journal of Machine Tools and Manufacture 69, 38–47 (2013) [0004] Yan-pu Chao, Le-hua Qia et al., International Journal of Machine Tools and Manufacture 69, 38-47 (2013), "Remelting and bonding of deposited aluminum alloy droplets and substrate droplets in metal droplet deposition manufacture". [0004]

Claims

Druckkopfeinheit (2) für einen 3D-Drucker (1) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (6), umfassend mindestens einen ersten Tropfenerzeuger (21), der zur Aufteilung einer ersten Schmelze (72) eines ersten Ausgangsmaterials (71) in einzelne Tropfen (73) einer ersten Sorte ausgebildet ist, wobei diese Tropfen (73) der ersten Sorte durch Zugabe im flüssigen Aggregatzustand an den zur Form des Objekts (6) gehörigen Orten und anschließendes Erstarren fest zum Objekt (6) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Tropfenerzeuger (22, 222, 322, 422, 522) vorgesehen ist, der zur Aufteilung einer zweiten Schmelze (82, 282, 382, 482, 582) eines zweiten Ausgangsmaterials (81, 281, 381, 481, 581) in einzelne Tropfen (83, 283, 383, 483, 583) einer zweiten Sorte ausgebildet ist, wobei der zweite Tropfenerzeuger (22, 222, 322, 422, 522) unabhängig vom ersten Tropfenerzeuger (21) ansteuerbar ist.Printhead unit ( 2 ) for a 3D printer ( 1 ) for producing a three-dimensional object ( 6 ) comprising at least one first drop generator ( 21 ), which is used to split a first melt ( 72 ) of a first starting material ( 71 ) into individual drops ( 73 ) of a first type, these drops ( 73 ) of the first variety by addition in the liquid state of aggregation to the shape of the object ( 6 ) and then solidifying to the object ( 6 ), characterized in that at least one second drop generator ( 22 . 222 . 322 . 422 . 522 ) is provided, which for the division of a second melt ( 82 . 282 . 382 . 482 . 582 ) of a second starting material ( 81 . 281 . 381 . 481 . 581 ) into individual drops ( 83 . 283 . 383 . 483 . 583 ) of a second type, wherein the second drop generator ( 22 . 222 . 322 . 422 . 522 ) independent of the first drop generator ( 21 ) is controllable.

Druckkopfeinheit (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Tropfenerzeuger (22, 222, 322, 422, 522) zur Herstellung von Tropfen (83, 283, 383, 483, 583) einer zweiten Sorte ausgebildet ist, die kleiner sind als die Tropfen (73) der ersten Sorte.Printhead unit ( 2 ) according to claim 1, characterized in that the second drop generator ( 22 . 222 . 322 . 422 . 522 ) for the production of drops ( 83 . 283 . 383 . 483 . 583 ) of a second kind, which are smaller than the drops ( 73 ) of the first kind.

Druckkopfeinheit (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Tropfenerzeuger (22, 222, 322, 422, 522) zur Herstellung von Tropfen (83. 283, 383, 483, 583) einer zweiten Sorte ausgebildet ist, die einen Durchmesser von 25 % bis 45 %, bevorzugt von 30 % bis 45 %, des Durchmessers d₁ der Tropfen (73) der ersten Sorte aufweisen.Printhead unit ( 2 ) according to claim 2, characterized in that the second drop generator ( 22 . 222 . 322 . 422 . 522 ) for the production of drops ( 83 , 283 . 383 . 483 . 583 ) of a second type which has a diameter of 25% to 45%, preferably of 30% to 45%, of the diameter d _{1 of} the drops ( 73 ) of the first variety.

Druckkopfeinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Tropfenerzeuger (21) ein erstes Reservoir (23) für die erste Schmelze (72) mit einem als Düse ausgebildeten ersten Auslass (24) für die erste Schmelze (72) aufweist und dass der zweite Tropfenerzeuger (22, 222, 322, 422, 522) ein zweites Reservoir (25, 225, 325, 425, 525) für die zweite Schmelze (82, 282, 382, 482, 582) mit einem als Düse ausgebildeten zweiten Auslass (26, 226, 326, 426, 526) für die zweite Schmelze (82, 282, 382, 482, 582) aufweist.Printhead unit ( 2 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first drop generator ( 21 ) a first reservoir ( 23 ) for the first melt ( 72 ) with a nozzle designed as the first outlet ( 24 ) for the first melt ( 72 ) and that the second drop generator ( 22 . 222 . 322 . 422 . 522 ) a second reservoir ( 25 . 225 . 325 . 425 . 525 ) for the second melt ( 82 . 282 . 382 . 482 . 582 ) with a nozzle formed as a second outlet ( 26 . 226 . 326 . 426 . 526 ) for the second melt ( 82 . 282 . 382 . 482 . 582 ) having.

Druckkopfeinheit (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Reservoir (23), und/oder das zweite Reservoir (25, 225, 325, 425, 525), auf der dem ersten Auslass (24) bzw. dem zweiten Auslass (26, 226, 326, 426, 526) abgewandten Seite der ersten Schmelze (72) bzw. der zweiten Schmelze (82, 282, 382, 482, 582) Mittel (27, 28, 228, 328, 428, 528) zur Beaufschlagung mit einem Gasdruck p aufweist.Printhead unit ( 2 ) according to claim 4, characterized in that the first reservoir ( 23 ), and / or the second reservoir ( 25 . 225 . 325 . 425 . 525 ), on the first outlet ( 24 ) or the second outlet ( 26 . 226 . 326 . 426 . 526 ) facing away from the first melt ( 72 ) or the second melt ( 82 . 282 . 382 . 482 . 582 ) Medium ( 27 . 28 . 228 . 328 . 428 . 528 ) to be exposed to a gas pressure p.

Druckkopfeinheit (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausstoßrichtungen (24a) des ersten Auslasses (24) und (26a) des zweiten Auslasses (26) aufeinander ausgerichtet sind, so dass Geraden entlang dieser Ausstoßrichtungen (24a, 26a) sich entweder schneiden oder in einem Abstand passieren, der höchstens der Summe des Radius eines Tropfens (73) der ersten Sorte und des Radius eines Tropfens (83) der zweiten Sorte entspricht.Printhead unit ( 2 ) according to one of claims 4 to 5, characterized in that the ejection directions ( 24a ) of the first outlet ( 24 ) and ( 26a ) of the second outlet ( 26 ) are aligned so that lines along these ejection directions ( 24a . 26a ) either intersect or pass at a distance equal to or less than the sum of the radius of a drop ( 73 ) of the first grade and the radius of a drop ( 83 ) of the second variety.

Druckkopfeinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Tropfenerzeuger (21) ein regelmäßiges Gitter (240) von Auslässen (24) für die erste Schmelze (72) aufweist und dass der zweite Tropfenerzeuger (22) ein regelmäßiges Gitter (260) von Auslässen (26) für die zweite Schmelze (82) aufweist, wobei die Gitter (240, 260) gegeneinander versetzt sind und gleiche Gitterkonstanten d₇, d₈ aufweisen.Printhead unit ( 2 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the first drop generator ( 21 ) a regular grid ( 240 ) of outlets ( 24 ) for the first melt ( 72 ) and that the second drop generator ( 22 ) a regular grid ( 260 ) of outlets ( 26 ) for the second melt ( 82 ), wherein the grids ( 240 . 260 ) are offset from each other and have the same lattice constants d ₇ , d ₈ .

Verfahren zum Betreiben einer Druckkopfeinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schmelze (82, 282, 382, 482, 582) auf einer höheren Temperatur gehalten wird als die erste Schmelze (72). Method for operating a printhead unit ( 2 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the second melt ( 82 . 282 . 382 . 482 . 582 ) is maintained at a higher temperature than the first melt ( 72 ).

Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein metallisches erstes Ausgangsmaterial (71) und ein metallisches zweites Ausgangsmaterial (81) gewählt werden und dass die zweite Schmelze (82, 282, 382, 482, 582) auf einer um mindestens 100 °C höheren Temperatur gehalten wird als die erste Schmelze (72).Method according to claim 8, characterized in that a metallic first starting material ( 71 ) and a metallic second starting material ( 81 ) and that the second melt ( 82 . 282 . 382 . 482 . 582 ) is maintained at a temperature at least 100 ° C higher than the first melt ( 72 ).

Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als erstes Ausgangsmaterial (71), und/oder als zweites Ausgangsmaterial (81, 281, 381, 481, 581), gewählt wird.Method according to one of claims 8 to 9, characterized in that aluminum or an aluminum alloy as the first starting material ( 71 ), and / or as a second starting material ( 81 . 281 . 381 . 481 . 581 ), is selected.

Verfahren zum Betreiben einer Druckkopfeinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Tropfenerzeuger (21) und der zweite Tropfenerzeuger (22) im Wechsel angesteuert werden.Method for operating a printhead unit ( 2 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the first drop generator ( 21 ) and the second drop generator ( 22 ) are controlled alternately.

3D-Drucker (1) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (6) aus einem ersten Ausgangsmaterial (71) und einem zweiten Ausgangsmaterial (81, 281, 381, 481, 581), dadurch gekennzeichnet, dass der 3D-Drucker (1) mindestens eine Druckkopfeinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mindestens eine Positioniereinheit (3) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Druckkopfeinheit (2) und dem Objekt (6) sowie mindestens eine Steuereinheit (5), die die Druckkopfeinheit (2) und/oder die Positioniereinheit (3) ansteuert, umfasst.3D printer ( 1 ) for producing a three-dimensional object ( 6 ) from a first starting material ( 71 ) and a second starting material ( 81 . 281 . 381 . 481 . 581 ), characterized in that the 3D printer ( 1 ) at least one printhead unit ( 2 ) according to one of claims 1 to 7, at least one positioning unit ( 3 ) for generating a relative movement between the printhead unit ( 2 ) and the object ( 6 ) and at least one control unit ( 5 ), which is the printhead unit ( 2 ) and / or the positioning unit ( 3 ).

3D-Drucker nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Modelliereinheit (4) zur Umwandlung der Form des Objekts (6) in ein aus diskreten Elementarkörpern (41, 41a, 41b, 41c) zusammengesetztes Modell (42) vorgesehen ist und dass die Steuereinheit (5) dazu ausgebildet ist, die Druckkopfeinheit (2) und/oder die Positioniereinheit (3) zur Fertigung der diskreten Elementarkörper (41, 41a, 41b, 41c) des Modells (42) anzusteuern. 3D printer according to claim 12, characterized in that at least one modeling unit ( 4 ) for transforming the shape of the object ( 6 ) into discrete elementary bodies ( 41 . 41a . 41b . 41c ) composite model ( 42 ) and that the control unit ( 5 ) is adapted to the printhead unit ( 2 ) and / or the positioning unit ( 3 ) for the production of discrete elementary bodies ( 41 . 41a . 41b . 41c ) of the model ( 42 ) head for.

Verfahren zum Betreiben eines 3D-Druckers (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass würfelförmige oder quaderförmige Elementarkörper (41, 41a, 41c) gewählt werden. Method for operating a 3D printer ( 1 ) according to any one of claims 12 to 13, characterized in that cube-shaped or cuboid elementary bodies ( 41 . 41a . 41c ) to get voted.

Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (42) aus Elementarkörpern (41, 41a, 41b, 41c) zusammengesetzt wird, die sich in ihren Abmessungen, und/oder in ihren Volumina, unterscheiden.Method according to claim 14, characterized in that the model ( 42 ) from elementary bodies ( 41 . 41a . 41b . 41c ), which differ in their dimensions, and / or in their volumes.