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Die Erfindung betrifft einen 3D-Drucker für Metalle mit einem Druckkopf, der zum Ausstoß von Tropfen des Metalls keine beweglichen Teile benötigt.
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Stand der Technik
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3D-Drucker für Metalle, die Tropfen einer flüssigen Phase des Metalls ausbringen und zum herzustellenden Objekt zusammensetzen, benötigen eine Dosiervorrichtung zur Erzeugung der Tropfen. Herkömmliche Dosiervorrichtungen besitzen bewegliche Komponenten, die verwendet werden, um das geschmolzene Metall entweder zu verdrängen oder zu einer Schwingung anzuregen. Die beweglichen Teile können beispielsweise durch die in den Patentanmeldungen
DE 10 2010 062 388 A1 und
DE 10 2011 078 068 A1 beschriebene Wirbelstromaktorik angesteuert werden.
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Eine Dosiervorrichtung ohne bewegliche Teile geht aus der
WO 2007/038987 A1 hervor. Diese Dosiervorrichtung beruht darauf, dass ein elektrischer Strom der Größenordnung 1.000 A durch das geschmolzene Metall geleitet und durch ein senkrecht auf diesem Strom stehendes Magnetfeld eine Lorentz-Kraft auf das Metall ausgeübt wird. Diese Lorentz-Kraft treibt das flüssige Metall aus der Austrittöffnung der Dosiervorrichtung.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein 3D-Drucker mit einem Druckkopf zur Erzeugung von Tropfen einer flüssigen Phase eines Metalls entwickelt. Der Druckkopf umfasst ein Reservoir für das Metall, wobei dieses Reservoir eine Austrittsöffnung für die Tropfen aufweist. Weiterhin umfasst der Druckkopf mindestens eine Induktionsspule zur Beaufschlagung des Metalls mit einem Magnetfeld BI.
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Erfindungsgemäß ist mindestens ein Kondensator vorgesehen, der über eine Schalteinrichtung wahlweise von einer Gleichspannungsquelle aufladbar und über die Induktionsspule kurzschließbar ist.
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Er wurde erkannt, dass beim Kurzschluss des Kondensators über die Induktionsspule der durch die Induktionsspule fließende Strom I sehr schnell auf einen sehr hohen Wert ansteigt. Dadurch wird ein Magnetfeld BI erzeugt, das sich mit einem sehr großen Zeitgradienten ändert. Hierdurch wird in dem im Reservoir befindlichen Metall ein Wirbelstrom induziert, der wiederum ein Magnetfeld BM erzeugt. Dieses Magnetfeld BM ist dem Magnetfeld BI der Induktionsspule nach der Lenzschen Regel entgegengesetzt. Es wirkt also eine abstoßende Kraft F zwischen den beiden Magnetfeldern BI und BM. Diese abstoßende Kraft F ist groß genug, um Tropfen einer flüssigen Phase des Metalls aus der Austrittsöffnung des Reservoirs zu treiben.
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Gegenüber der Dosierung mit Hilfe der Lorentz-Kraft hat diese Art der Dosierung den wesentlichen Vorteil, dass das Metall im Reservoir nicht elektrisch kontaktiert werden muss. Dementsprechend ist der Druckkopf wesentlich kompakter zu bauen. Weiterhin hängt die Stärke der abstoßenden Kraft F im Wesentlichen vom zeitlichen Gradienten des Stroms I durch die Induktionsspule ab. Es wurde erkannt, dass dieser Zusammenhang besonders gut auf die Anforderungen passt, die für die Erzeugung möglichst kleiner Tropfen bestehen: Um überhaupt Metall aus der Austrittsöffnung des Reservoirs zu fördern, ist eine gewisse Mindestkraft erforderlich. Ist diese Mindestkraft erreicht, hängt die durch die Austrittsöffnung geförderte Menge, und damit auch die Tropfengröße, von der Wirkdauer der Kraft ab. Wirkt also eine sehr große Kraft für sehr kurze Zeit, so ist diese optimal zur Erzeugung sehr kleiner Tropfen bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch.
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Typische sinnvolle Wirkdauern für die Kraft, die das Metall aus der Austrittsöffnung treibt, bewegen sich in einer Größenordnung zwischen 50 Mikrosekunden und einer Millisekunde. Die Wirkdauer wird gemäß der Erfindung durch die Ladung und die Kapazität des Kondensators, sowie durch die Induktivität und den ohmschen Widerstand der Induktionsspule, vorgegeben. Es ist denkbar einfach, diese Größen so anzupassen, dass ein vorgegebener Wert für die Wirkdauer realisiert wird. Es ist keinerlei Elektronik für die Steuerung der Wirkdauer erforderlich.
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Die Induktionsspule kann an dem Druckkopf eigens dafür vorgesehen sein, Metall aus der Austrittsöffnung des Reservoirs zu trieben. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass sich beispielsweise auch eine zwecks Heizung des Metalls an vielen Druckköpfen bereits vorhandene Induktionsspule zur Erzeugung der Kraft F, die das Metall aus der Austrittsöffnung des Reservoirs treibt, zweckentfremden lässt: Da das Metall sowohl im festen als auch im flüssigen Aggregatzustand im Wesentlichen inkompressibel ist, ist unerheblich, an welcher Stelle im Reservoir die Kraft F eingeleitet wird. Die Kraft F kann also auch weit von der Austrittsöffnung des Reservoirs entfernt in dem Teil des Reservoirs, in dem das Metall aufgeschmolzen wird, eingeleitet werden.
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Daher ist in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Induktionsspule über die Schalteinrichtung wahlweise mit dem Kondensator und einer Wechselspannungsquelle verbindbar. Ist die Induktionsspule mit der Wechselspannungsquelle verbunden, wird im Metall ein periodischer Wirbelstrom erzeugt, der das Metall netto nicht vorantreibt. Durch die ohmschen Verluste aufgrund des endlichen Widerstands des Metalls wird das Metall erwärmt. Ist die Induktionsspule hingegen mit dem Kondensator verbunden und schließt den Kondensator kurz, wird für sehr kurze Zeit ein sehr hoher gerichteter Wirbelstrom erzeugt, der einen Tropfen des Metalls aus der Austrittsöffnung des Reservoirs treibt.
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Es kann also beispielsweise ein Druckkopf mit Induktionsheizung gemäß Stand der Technik allein durch das Hinzufügen des Kondensators, der Schalteinrichtung und der Gleichspannungsquelle so umgerüstet werden, dass er ohne bewegliche Teile Tropfen des flüssigen Metalls aus der Austrittsöffnung des Reservoirs auszustoßen vermag. Induktionsspulen für die Heizung des Metalls sind auf so hohe Dauerströme ausgelegt, dass sie problemlos mit dem kurzen Stromimpuls aus dem Kondensator beaufschlagt werden können.
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Das Reservoir kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung einen ersten Bereich mit einer Heizung zum Aufschmelzen des Metalls und einen zweiten Bereich mit der Austrittsöffnung aufweisen. Das von der Induktionsspule erzeugte Magnetfeld BI im zweiten Bereich des Reservoirs ist dann stärker als im ersten Bereich des Reservoirs. Die Wirkung der Heizung ist dann vollständig unabhängig von der Erzeugung der Tropfen. Beispielsweise kann ein erster Bereich des Reservoirs mehrere zweite Bereiche des Reservoirs mit jeweils zugeordneten Induktionsspulen zugleich mit flüssigem Metall versorgen. Es können dann an mehreren Stellen zugleich Tropfen des flüssigen Metalls dem herzustellenden Objekt hinzugefügt werden. Dadurch lässt sich die Fertigungsgeschwindigkeit steigern.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Kondensator zum Kurzschließen über mindestens einen Thyristor, und/oder über mindestens einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT, als Schalter in der Schalteinrichtung mit der Induktionsspule verbindbar. Ein Thyristor hat hier den Vorteil, dass er lediglich durch einen Steuerstromimpuls eingeschaltet werden muss und sich nach dem Entladen des Kondensators selbständig wieder ausschaltet. Hingegen hat ein Bipolartransistor den Vorteil, dass sich der Stromfluss durch die Induktionsspule bereits vor der vollständigen Entladung des Kondensators wieder unterbrechen lässt.
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Vorteilhaft ist beim Kurzschluss des Kondensators über die Induktionsspule ein maximaler Strom I von mindestens 100 A, bevorzugt von mindestens 500 A und ganz besonders bevorzugt von mindestens 1.000 A, durch die Induktionsspule treibbar. Vorteilhaft ist bei Kurzschluss des Kondensators über die Induktionsspule eine maximale Leistung P von mindestens 100 kW, bevorzugt von mindestens 1 MW, durch die Induktionsspule treibbar. Der hohe maximale Strom, beziehungsweise die hohe maximale Leistung, bewirkt, dass auch bei sehr kleiner Baugröße des Druckkopfes eine hinreichend große Kraft zum Ausstoß eines Tropfens des flüssigen Metalls erzeugt werden kann. Diese kleinere Baugröße kann wiederum in eine schnellere Fertigungsgeschwindigkeit umgemünzt werden, indem an einem Druckkopf mehrere Reservoirs, beziehungsweise mehrere Austrittsöffnungen, vorgesehen werden. Analog einem Tintenstrahldrucker mit mehreren Düsen können dann an mehreren Stellen gleichzeitig Tropfen des flüssigen Metalls dem herzustellenden Objekt hinzugefügt werden.
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Vorteilhaft erreicht bei Kurzschluss des Kondensators über die Induktionsspule der Strom I durch die Induktionsspule seinen maximalen Wert innerhalb von höchstens 100 Mikrosekunden, bevorzugt innerhalb von höchstens 50 Mikrosekunden, nach dem Zeitpunkt t0 des Kurzschlusses. Dann ist der zeitliche Gradient des Stroms I durch die Induktionsspule hinreichend groß, um bei einem gegebenen maximalen Strom I eine hinreichend große Kraft F zu erzeugen.
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Vorteilhaft wirkt bei Kurzschluss des Kondensators über die Induktionsspule zwischen dem Magnetfeld BI der Induktionsspule und dem hiervon hervorgerufenen Magnetfeld BM im Metall eine abstoßende Kraft F von mindestens 1 N, bevorzugt von mindestens 10 N. Eine derartige Kraft reicht zuverlässig aus, um die Oberflächenspannung des flüssigen Metalls zu überwinden und einen Tropfen aus der Austrittsöffnung des Reservoirs zu treiben.
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Vorteilhaft weist das Magnetfeld BI der Induktionsspule eine auf die Austrittsöffnung gerichtete Komponente auf. Dann treibt die abstoßende Kraft F unmittelbar Metall in Richtung der Austrittsöffnung des Reservoirs. Ansonsten wirkt die Kraft F in dem Reservoir als kurzfristige Druckerhöhung, die sich durch das inkompressible flüssige Metall im ganzen Reservoir fortpflanzt. Die Druckerhöhung ist also auch dann im Bereich der Austrittsöffnung des Reservoirs mittelbar wirksam, wenn das Magnetfeld BI nicht auf die Austrittsöffnung gerichtet ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Austrittsöffnung des Reservoirs einen Durchmesser d im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, bevorzugt im Bereich von 0,2 mm bis 0,3 mm, auf. In diesem Bereich für den Durchmesser d wird die Austrittsöffnung noch zuverlässig durch die Oberflächenspannung des flüssigen Metalls verschlossen, so dass auf ein aktives Schließelement, wie beispielsweise eine Düsennadel, verzichtet werden kann. Zugleich ist ein Durchmesser d im beanspruchten Bereich fertigungstechnisch vergleichsweise einfach herzustellen. Nach dem bisherigen Stand der Technik waren Durchmesser d im beanspruchten Bereich zu groß für die Erzeugung kleiner Tropfen mit Durchmessern von 100 Mikrometern oder darunter. Es musste mit kleineren Durchmessern d gearbeitet werden um den Preis, dass die Herstellung einer Austrittsöffnung mit abnehmendem Durchmesser d überproportional aufwendiger wird. Durch die gemäß der Erfindung geschaffene Möglichkeit, auf das flüssige Metall für sehr kurze Zeit eine sehr große Kraft in Richtung Austrittsöffnung auszuüben, können mit einer gegebenen Austrittsöffnung deutlich kleinere Tropfen hergestellt werden als nach dem bisherigen Stand der Technik. Mit einem Durchmesser d im beanspruchten Bereich gelingt es, Tropfen mit weniger als 100 Mikrometern Durchmesser zu erzeugen. Die magnetohydrodynamische Dosiervorrichtung nach dem Stand der Technik, die sich die Lorentz-Kraft zu Nutze macht, vermag mit der gleichen Austrittsöffnung nur Tropfengrößen oberhalb von 800 Mikrometer zu erzeugen.
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Vorteilhaft sind das Reservoir und die Austrittsöffnung derart dimensioniert, dass die Oberflächenspannung σ des flüssigen Metalls das flüssige Metall gegen seinen Schweredruck p am Durchtritt durch die Austrittsöffnung hindert, während der Kondensator nicht über die Induktionsspule entladen wird. Dann ist allein die Bilanz der Ladung auf dem Kondensator maßgeblich für die Dauer, für die flüssiges Metall aus der Austrittsöffnung des Reservoirs ausgestoßen wird. Ein aktives Schließelement für die Austrittsöffnung ist nicht erforderlich.
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Die Induktionsspule kann zum Schutz vor der Hitze des flüssigen Metalls beispielsweise in eine Keramik eingebettet sein. Die Induktionsspule kann beispielsweise aus einem wassergekühlten Hohlleiter gewickelt sein. Hierfür können beispielsweise Metalle mit hohen Schmelzpunkten eingesetzt werden, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Das Reservoir und seine Austrittsöffnung weisen bevorzugt eine Wandung aus einer temperaturbeständigen Keramik auf, um die Temperatur des flüssigen Metalls im Inneren des Reservoirs halten zu können. Das Reservoir kann optional eine zusätzliche Induktionsspule aufweisen, die das flüssige Metall durch induktive Heizung auf einer vorgegebenen Temperatur hält.
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Die Austrittsöffnung des Reservoirs kann sehr unterschiedlich ausgeführt werden. Sie kann konisch, zentrisch, gestuft etc. ausgeführt werden und den jeweiligen Anforderungen beziehungsweise Betriebsbedingungen angepasst werden. Weitere Variationsmöglichkeiten ergeben sich in der Form des Reservoirs. Sie können hinsichtlich Wiederholbarkeit der Tropfengröße, der Tropfenfrequenz und des Wirkungsgrades optimiert werden.
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Der Kondensator kann beispielsweise eine Kapazität zwischen 5 Mikrofarad und 10 Mikrofarad aufweisen. Bei einer Aufladung mit einer Gleichspannung von 800 Volt lässt sich in ihm dann eine Energiemenge von beispielsweise 2 bis 3 Joule speichern. Vorteilhaft ist die Spannung der Gleichspannungsquelle geringer als 2.000 Volt. Jenseits dieser Grenze werden die benötigten Bauteile überproportional teurer.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
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1 Ausführungsbeispiel des 3D-Druckers 1 gemäß der Erfindung mit einer Induktionsspule 6, die zugleich der Heizung des Reservoirs 4 dient.
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2 Ausführungsbeispiel eines 3D-Druckers 1 gemäß der Erfindung mit von der Induktionsspule 6 getrennter Heizung 9 für den ersten Teil 4a des Reservoirs 4.
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3 Erweiterung des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels auf mehrere Austrittsöffnungen 5, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
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4 Zeitverlauf der Spannung U über der Induktionsspule 6, des Stroms I durch die Induktionsspule 6 und der auf das flüssige Metall 3b ausgeübten Kraft F nach Kurzschluss des Kondensators 7 zum Zeitpunkt t0.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des 3D-Druckers 1 gemäß der Erfindung. Der Druckkopf 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel feststehend. Stattdessen ist die Arbeitsfläche 12, auf der das herzustellende Objekt 13 entsteht, über einen in 1 nicht im Detail eingezeichneten Positioniermechanismus entlang der drei Raumrichtungen x, y und z gegen den Druckkopf 2 verschiebbar. Der Druckkopf 2 des 3D-Druckers 1 umfasst ein Reservoir 4, dem eingangsseitig das Metall 3 in seiner festen Phase 3a zugeführt wird. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist diese feste Phase 3a ein Draht.
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Die Induktionsspule 6 ist über den Schalter 8a mit der Wechselspannungsquelle 11 verbindbar. Die Wechselspannung aus der Wechselspannungsquelle 11 erzeugt im Inneren des Reservoirs 4 ein magnetisches Wechselfeld, das einen periodischen Wirbelstrom im Metall 3 anregt. Dieser periodische Wirbelstrom erfährt durch den Widerstand des Metalls 3 ohmsche Verluste, wodurch das Metall 3 erwärmt wird. Daher bildet sich in dem Reservoir 4 eine flüssige Phase 3b des Metalls 3.
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Der Kondensator 7 ist über den Schalter 8c von der Gleichspannungsquelle 10 aufladbar. Soll ein Tropfen 3c aus der Austrittsöffnung 5 des Reservoirs 4 ausgestoßen werden, so kann der Kondensator 7 über den Schalter 8b und die Induktionsspule 6 kurzgeschlossen werden. Hierbei sind vorteilhaft der zur Wechselspannungsquelle 11 führende Schalter 8a und der zur Gleichspannungsquelle führende Schalter 8c ausgeschaltet. Aufgrund des geringen Innenwiderstandes des Kondensators 7 baut sich in der Induktionsspule 6 beim Kurzschluss des Kondensators 7 sehr schnell ein großer Strom I auf, der ein entsprechend starkes Magnetfeld BI im Inneren des Metalls 3 erzeugt. Dieses Magnetfeld BI induziert in dem Metall 3 einen gerichteten Wirbelstrom. Dieser Wirbelstrom erzeugt seinerseits ein Magnetfeld BM, das dem ursprünglichen Feld BI der Induktionsspule 6 aufgrund der Lenzschen Regel entgegen gerichtet ist. Beide Magnetfelder BI und BM üben die abstoßende Kraft F aufeinander aus, die auf das flüssige Metall 3b wirkt und eine Portion davon als Tropfen 3c aus der Austrittsöffnung 5 des Reservoirs 4 heraus treibt.
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Das bei der Entladung des Kondensators 7 aus der Austrittsöffnung 5 mit dem Durchmesser d ausgestoßene flüssige Metall 3d formt sich aufgrund seiner Oberflächenspannung σ bei hinreichend langer Flugzeit zum herzustellenden Objekt 13, beziehungsweise zur Arbeitsfläche 12, zu einem einzigen Tropfen 3c. Die Oberflächenspannung σ hat darüber hinaus die weitere Wirkung, dass sie das flüssige Metall 3b gegen seinen Schweredruck p am Durchtritt durch die Austrittsöffnung 5 des Reservoirs 4 hindert, solange der Kondensator 7 nicht über die Induktionsspule 6 entladen wird. Daher ist die Austrittsöffnung 5 im Normalfall ständig verschlossen, ohne dass hierfür ein besonderes Schließelement notwendig wäre.
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Die gemeinsame Masse des Kondensators 7, der Induktionsspule 6 sowie der Spannungsquellen 10 und 11 ist mit 14 bezeichnet.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Druckkopfes 2 für den 3D-Drucker 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu 1 dient die Induktionsspule 6 hier nicht gleichzeitig der Heizung des Reservoirs 4. Stattdessen ist das Reservoir 4 in einen ersten Teil 4a aufgeteilt, in dem das Metall 3, 3a durch eine Heizung 9 aufgeschmolzen wird, sowie in einen zweiten Teil 4b, der die Austrittsöffnung 5 enthält. Der zweite Teil 4b des Reservoirs 4 ist so geformt, dass die bei Entladung des in 2 nicht eingezeichneten Kondensators 7 auf das flüssige Metall 3b wirkende Kraft F auf die Austrittsöffnung 5 hin fokussiert wird. Aus der Austrittsöffnung 5 wird bei jeder Entladung des Kondensators 7 ein Tropfen 3c des flüssigen Metalls 3b heraus getrieben.
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3 zeigt eine Erweiterung des in 2 dargestellten Druckkopfes 2. Im Unterschied zu 2 versorgt ein einziger erster Teil 4a des Reservoirs 4, der von einer einzigen Heizung 9 beheizt wird, mehrere zweite Teile 4b des Reservoirs 4 mit jeweils eigener Austrittsöffnung 5 und eigener Induktionsspule 6. Es können dann unabhängig voneinander aus allen Austrittsöffnungen 5 Tropfen 3c heraus getrieben werden. Dadurch kann an mehreren Orten des herzustellenden Objekts 13 gleichzeitig jeweils ein Tropfen 3c angelagert werden. Das Objekt 13 ist dementsprechend schneller herstellbar.
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4 verdeutlicht den zeitlichen Verlauf einer Entladung des Kondensators 7. Über der Zeit t sind jeweils die Spannung U über der Induktionsspule 6, der Strom I durch die Induktionsspule 6 sowie die auf das flüssige Metall 3b wirkende Kraft F aufgetragen. Zum Zeitpunkt t0 beginnt die Entladung des Kondensators 7. Über der Induktionsspule 6 wird augenblicklich eine hohe Spannung U bereitgestellt. Aufgrund der Induktivität der Induktionsspule 6 baut sich der Strom I in der Induktionsspule 6 mit einer zeitlichen Verzögerung auf. Der Strom I erreicht nach kurzer Zeit ein Maximum. Die Erzeugung des Gegenfeldes BM im Metall 3, und damit die Bildung der abstoßenden Kraft F, nimmt eine kurze Zeit in Anspruch. Daher gibt es eine kleine Verzögerung zwischen dem zeitlichen Maximum im Strom I und dem zeitlichen Maximum in der Kraft F.
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Kurz bevor der Strom I sein Maximum erreicht, beginnt die Spannung U über der Induktionsspule 6 bereits einzubrechen, weil der größte Teil der Ladung bereits vom Kondensator 7 abgeflossen ist. Mit einem kurzen Zeitverzug zur einbrechenden Spannung U bricht auch der Strom I durch die Induktionsspule 6 ein. Mit einer weiteren kleinen Verzögerung bricht auch die Kraft F auf das flüssige Metall 3d zusammen. Der Austritt von flüssigem Metall 3b aus der Austrittsöffnung 5 wird beendet.
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Das Metall 3a muss nicht notwendigerweise als Draht hinzu geführt werden. Es kann beispielsweise auch als Pulver oder Granulat zugeführt werden. Bei Impulsbreiten von vorteilhaft zwischen 100 Mikrosekunden und einer Millisekunde können beispielsweise Wiederholraten oberhalb von 500 Hz erzielt werden, um eine schnelle Aufbaurate des herzustellenden Objekts 13 zu erzielen. Die Größe der Tropfen 3c kann über die Spannung, mit der der Kondensator 7 aus der Gleichspannungsquelle 10 aufgeladen wird, variiert werden. Damit ist der 3D-Drucker gemäß der Erfindung in Bezug auf die Tropfengröße erheblich vielseitiger als 3D-Drucker nach dem bisherigen Stand der Technik.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010062388 A1 [0002]
- DE 102011078068 A1 [0002]
- WO 2007/038987 A1 [0003]
