DE102017204441A1 - Level measurement for raw material in a 3D printhead - Google Patents

Level measurement for raw material in a 3D printhead Download PDF

Info

Publication number
DE102017204441A1
DE102017204441A1 DE102017204441.1A DE102017204441A DE102017204441A1 DE 102017204441 A1 DE102017204441 A1 DE 102017204441A1 DE 102017204441 A DE102017204441 A DE 102017204441A DE 102017204441 A1 DE102017204441 A1 DE 102017204441A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
induction coil
crucible
measuring
level
voltage source
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102017204441.1A
Other languages
German (de)
Inventor
Sebastian Herbster
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102017204441.1A priority Critical patent/DE102017204441A1/en
Publication of DE102017204441A1 publication Critical patent/DE102017204441A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/10—Auxiliary heating means
    • B22F12/13—Auxiliary heating means to preheat the material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/115—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by spraying molten metal, i.e. spray sintering, spray casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/17—Ink jet characterised by ink handling
    • B41J2/175—Ink supply systems ; Circuit parts therefor
    • B41J2/17566—Ink level or ink residue control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/22—Direct deposition of molten metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2202/00—Treatment under specific physical conditions
    • B22F2202/07—Treatment under specific physical conditions by induction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/17—Ink jet characterised by ink handling
    • B41J2/175—Ink supply systems ; Circuit parts therefor
    • B41J2/17566—Ink level or ink residue control
    • B41J2002/17579—Measuring electrical impedance for ink level indication
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Induction Heating (AREA)

Abstract

Vorrichtung (1) zur Messung des Füllstands h, und/oder einer sonstigen Zustandsgröße, eines schmelzbaren Materials (2) in einem Tiegel (3), wobei eine Heizung (4) für den Tiegel (3), und/oder für das schmelzbare Material (2) selbst, vorgesehen ist, die mindestens eine Wechselspannungsquelle (4a) und mindestens eine Induktionsspule (4b) umfasst, wobei der Tiegel (3) und die Induktionsspule (4b) so zueinander angeordnet sind, dass der Innenraum (3a) des Tiegels (3) von einer magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule (4b) durchsetzt ist, und wobei Messmittel (5) zur Messung einer von der Induktivität L der Induktionsspule (4b) abhängigen physikalischen Messgröße M vorgesehen sind.
Verfahren (100) zur Messung des Füllstands h, und/oder einer sonstigen Zustandsgröße, eines schmelzbaren Materials (2) in einem Tiegel (3), wobei eine Heizung (4) für den Tiegel (3), und/oder für das schmelzbare Material (2) selbst, vorgesehen ist, die mindestens eine Wechselspannungsquelle (4a) und mindestens eine Induktionsspule (4b) umfasst, wobei der Innenraum (3a) des Tiegels (3) von einer magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule (4b) durchsetzt wird (110), wobei eine physikalische Messgröße M, die von der Induktivität L der Induktionsspule (4b) abhängt, gemessen wird (120), und wobei der Füllstand h, und/oder die sonstige Zustandsgröße, aus der physikalischen Messgröße M ausgewertet wird (130).
Zugehöriges Computerprogrammprodukt.

Figure DE102017204441A1_0000
Device (1) for measuring the level h, and / or other state variable, of a fusible material (2) in a crucible (3), wherein a heater (4) for the crucible (3), and / or for the fusible material (2) itself, is provided, which comprises at least one alternating voltage source (4a) and at least one induction coil (4b), wherein the crucible (3) and the induction coil (4b) are arranged relative to each other so that the interior (3a) of the crucible ( 3) is penetrated by a magnetic flux component Φ of the induction coil (4b), and wherein measuring means (5) for measuring a dependent of the inductance L of the induction coil (4b) physical quantity M are provided.
Method (100) for measuring the level h, and / or other state variable, of a fusible material (2) in a crucible (3), wherein a heater (4) for the crucible (3), and / or for the fusible material (2) itself, is provided, which comprises at least one alternating voltage source (4a) and at least one induction coil (4b), wherein the interior (3a) of the crucible (3) is penetrated by a magnetic flux component Φ of the induction coil (4b) (110) , wherein a physical quantity M, which depends on the inductance L of the induction coil (4b), is measured (120), and wherein the level h, and / or the other state variable, from the physical quantity M is evaluated (130).
Associated computer program product.
Figure DE102017204441A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Füllstandsmessung, die für flüssige metallische Ausgangsmaterialien in 3D-Druckköpfen konzipiert wurde, jedoch allgemein für schmelzbare Materialien in Tiegeln anwendbar ist.The present invention relates to a level measurement device designed for liquid metal source materials in 3D printheads, but generally applicable to fusible materials in crucibles.

Stand der TechnikState of the art

Ein 3D-Drucker für ein thermoplastisches Material erhält eine feste Phase dieses Materials als Ausgangsmaterial, erzeugt daraus eine flüssige Phase und bringt diese flüssige Phase selektiv an den Stellen, die zu dem zu erzeugenden Objekt gehören, auf. Ein solcher 3D-Drucker umfasst einen Druckkopf, in den das Ausgangsmaterial geschmolzen wird. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, vorgesehen. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.A 3D printer for a thermoplastic material obtains a solid phase of this material as a starting material, generates a liquid phase therefrom, and selectively deposits this liquid phase at the locations associated with the object to be formed. Such a 3D printer includes a printhead into which the source material is melted. Furthermore, means are provided for generating a relative movement between the print head and the work surface on which the object is to be formed. In this case, either only the print head, only the work surface or both the print head and the work surface can be moved.

Derzeit befinden sich Druckköpfe in der Entwicklung, die auch metallische Ausgangsmaterialien verarbeiten können. Auf Grund des im Vergleich zu thermoplastischen Kunststoffen wesentlich höheren Schmelzpunktes von Metallen ist es in der Regel nicht möglich, das Metall on-demand genau in dem Moment, in dem es aufgebracht werden soll, zur flüssigen Phase aufzuschmelzen. Daher umfassen Druckköpfe für Metalle in der Regel einen Tiegel, in dem die flüssige Phase des Metalls bevorratet wird.Currently, printheads are under development, which can also process metallic starting materials. Due to the significantly higher melting point of metals compared to thermoplastics, it is generally not possible to melt the metal on-demand precisely at the moment it is to be applied to the liquid phase. Thus, metal printheads typically include a crucible in which the liquid phase of the metal is stored.

Bei derartigen Tiegeln stellt sich die Frage, wie der Füllstand h zu kontrollieren ist, damit der Nachschub der festen Phase des Metalls entsprechend koordiniert werden kann. Sensoren, die im Tiegel selbst angebracht sind, sind auf Grund der hohen Temperaturen stark verschleißanfällig, insbesondere, wenn das Metall zusätzlich noch chemisch reaktiv ist. Messvorrichtungen mit eine optischen oder akustischen Abstandssensor benötigen viel Bauraum und noch dazu ein Zugangsfenster zum Tiegel, das beschlagen und die Messung unterbrechen kann.In such crucibles, the question arises as to how the level h is to be controlled, so that the replenishment of the solid phase of the metal can be coordinated accordingly. Sensors, which are mounted in the crucible itself, are highly susceptible to wear due to the high temperatures, especially if the metal is additionally chemically reactive. Measuring devices with an optical or acoustic distance sensor require a lot of space and also an access window to the crucible, which can fog up and interrupt the measurement.

Aus der DE 34 23 868 A1 , aus der DE 34 27 563 C2 , aus der DE 10 2009 011 849 A1 sowie aus der EP 0 111 228 B1 sind elektromagnetische Vorrichtungen zur Füllstandsmessung bekannt. Diese Vorrichtungen benötigen ebenfalls mehr Bauraum, als am Druckkopf für einen 3D-Drucker typischerweise zur Verfügung steht. Zudem ist ihre Messempfindlichkeit für großtechnische Anwendungen dimensioniert und nicht ohne weiteres auf den Tiegel eines Druckkopfes skalierbar.From the DE 34 23 868 A1 , from the DE 34 27 563 C2 , from the DE 10 2009 011 849 A1 as well as from the EP 0 111 228 B1 Electromagnetic devices for level measurement are known. These devices also require more space than is typically available on the printhead for a 3D printer. In addition, their measurement sensitivity is dimensioned for large-scale applications and not readily scalable to the crucible of a printhead.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Im Rahmen der Erfindung wurde eine Vorrichtung zur Messung des Füllstands h, und/oder einer sonstigen Zustandsgröße, eines schmelzbaren Materials in einem Tiegel entwickelt. Dabei wird vorausgesetzt, dass der Tiegel, und/oder für das schmelzbare Material selbst, mit einer Heizung beheizbar ist, die mindestens eine Wechselspannungsquelle und mindestens eine Induktionsspule umfasst.In the context of the invention, a device for measuring the level h, and / or other state variable, a fusible material has been developed in a crucible. In this case, it is assumed that the crucible, and / or for the fusible material itself, can be heated with a heater which comprises at least one alternating voltage source and at least one induction coil.

Dieser Heizung wird gemäß der Erfindung eine zusätzliche Funktion als Füllstandssensor verliehen. Hierzu sind der Tiegel und die Induktionsspule so zueinander angeordnet, dass der Innenraum des Tiegels von einer magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule durchsetzt ist. Weiterhin sind Messmittel zur Messung einer von der Induktivität L der Induktionsspule abhängigen physikalischen Messgröße M vorgesehen.This heater is given an additional function as a level sensor according to the invention. For this purpose, the crucible and the induction coil are arranged relative to one another such that the interior of the crucible is penetrated by a magnetic flux component Φ of the induction coil. Furthermore, measuring means for measuring a dependent of the inductance L of the induction coil physical quantity M are provided.

Bei der magnetischen Flusskomponente Φ kann es sich insbesondere um den gleichen magnetischen Fluss handeln, der auch zum Heizen des Tiegels, und/oder des schmelzbaren Materials, verwendet wird. Dann besteht der Tiegel vorteilhaft aus einem Material, das den Innenraum nicht zu stark von dem zum Heizen verwendeten magnetischen Fluss der Induktionsspule abschirmt.The magnetic flux component Φ may in particular be the same magnetic flux which is also used for heating the crucible and / or the fusible material. Then, the crucible is advantageously made of a material that does not shield the interior too much from the magnetic flux of the induction coil used for heating.

Die magnetische Flusskomponente Φ kann aber auch beispielsweise eigens für die Zwecke der Messung zusätzlich zu dem zum Heizen verwendeten magnetischen Fluss eingebracht sein. Beispielsweise kann zum Heizen eines elektrisch leitfähigen Tiegels ein hochfrequenter magnetischer Fluss verwendet werden, der nicht sehr tief in das Material des Tiegels eindringt. Der Tiegel kann beispielsweise aus einem Metall oder auch aus Graphit bestehen. Ein hochfrequenter magnetischer Fluss kann dann beispielsweise nur die Randschicht mit einer Eindringtiefe von ca. 2 mm aufheizen, wobei die Wärme dann durch Wärmeleitung an das Innere des Tiegels und an das darin befindliche schmelzbare Material abgegeben wird. Eine niederfrequente Flusskomponente Φ kann das Material des Tiegels jedoch durchdringen und das schmelzbare Material im Inneren des Tiegels durchsetzen. Beispielsweise kann zusätzlich zu dem zum Heizen verwendeten hochfrequenter Strom ein niederfrequenter Strom zur Erzeugung der Flusskomponente Φ auf die Induktionsspule aufmoduliert werden.However, the magnetic flux component Φ may also be incorporated, for example, specifically for the purpose of measurement in addition to the magnetic flux used for heating. For example, for heating an electrically conductive crucible, a high-frequency magnetic flux may be used which does not penetrate very deeply into the material of the crucible. The crucible may for example consist of a metal or of graphite. For example, a high-frequency magnetic flux can only heat the surface layer with a penetration depth of approximately 2 mm, the heat then being dissipated by heat conduction to the interior of the crucible and to the fusible material located therein. However, a low frequency flux component Φ may penetrate the material of the crucible and permeate the fusible material inside the crucible. For example, in addition to the high-frequency current used for heating, a low-frequency current for generating the flux component Φ can be modulated onto the induction coil.

Unter einer Durchsetzung des schmelzbaren Materials mit der magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule wird verstanden, dass ein nennenswerter Umfang, d.h. insbesondere mindestens 10 %, bevorzugt mindestens 50 %, und ganz besonders bevorzugt mindestens 75 %, des magnetischen Flusses der Flusskomponente Φ durch das schmelzbare Material geführt sind. Insbesondere kann das schmelzbare Material den Kern der Induktionsspule bilden.An enforcement of the fusible material with the magnetic flux component Φ of the induction coil is understood to mean a significant extent, ie in particular at least 10%, preferably at least 50%, and most preferably at least 75%, of the magnetic flux of the flux component Φ by the fusible material are guided. In particular, the fusible material may form the core of the induction coil.

Beispielsweise ist die Induktivität L einer Zylinderspule näherungsweise gegeben durch L = μ 0 ⋅ μ r ⋅ n 2 ⋅ A l ,

Figure DE102017204441A1_0001
worin n die Windungszahl, A der Querschnitt und l die Länge der Spule sind. µ0 ist die magnetische Permeabilität des Vakuums, und µr ist die relative magnetische Permeabilität des Kernmaterials. Das Vorhandensein oder NichtVorhandensein des Metalls im Innenraum des Tiegels kann somit die relative magnetische Permeabilität µr maximal ausgehend von 1 (bei leerem Tiegel) bis hin zum Wert für das Metall (bei vollständig ausgefülltem Tiegel) ändern. Diese Änderung verläuft je nach Füllstand des Metalls in dem Tiegel graduell.For example, the inductance L of a cylindrical coil is approximately given by L = μ 0 ⋅ μ r ⋅ n 2 ⋅ A l .
Figure DE102017204441A1_0001
 where n is the number of turns, A is the cross section and l is the length of the coil. μ 0 is the magnetic permeability of the vacuum, and μ r is the relative magnetic permeability of the core material. The presence or absence of the metal in the interior of the crucible can thus change the relative magnetic permeability, μ r, from a maximum of 1 (with the crucible empty) to the value of the metal (with the crucible completely filled in). This change is gradual depending on the level of the metal in the crucible.

Beispielsweise ist Aluminium mit µr=1+2,2·10-5 leicht paramagnetisch. Erheblich stärker ist der Effekt bei ferromagetischen Materialien wie Eisen (µr ab 300).For example, aluminum with μ r = 1 + 2.2 · 10 -5 is slightly paramagnetic. The effect is considerably stronger with ferromagnetic materials such as iron (μ r from 300).

Es wurde erkannt, dass die Verwendung ein und derselben Spule als Heizung einerseits und als Füllstandssensor andererseits einen doppelten synergistischen Effekt zwischen diesen beiden Funktionen hervorruft. Zum einen wird durch die Mehrfachnutzung der Spule sowohl Hardware als auch Bauraum eingespart. Insbesondere können bestehende Induktionsheizungen, bei denen der Innenraum des Tiegels von der magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule durchsetzbar ist, durch eine reine Änderung der Beschaltung zum Füllstandssensor aufgewertet werden. Zum anderen ist gerade bei einer Verwendung als Heizung der aus der Induktionsspule, dem Tiegel und dem Metall gebildete Magnetkreis dahingehend dimensioniert, dass beispielsweise bereits das vergleichsweise schwach paramagnetische, als Ausgangsmaterial für 3D-Drucker sehr interessante Aluminium ein hinreichend starkes Messsignal erzeugt, so dass nicht nur zwischen einem vollständig leeren und einem vollständig gefüllten Reservoir unterschieden werden kann, sondern auch beliebige Zwischenstände erfasst werden können. Neben Aluminium sind auch beispielsweise Kupfer, Silber, Zinn und Gold aus Ausgangsmaterialien für 3D-Drucker interessant, wobei diese Metalle stärker paramagnetisch sind als Aluminium, also bei der Füllstandsmessung ein stärkeres Messsignal liefern. Für die Auswahl des Ausgangsmaterials ist der Schmelzpunkt ein wesentlicher Faktor.It has been recognized that the use of the same coil as a heater on the one hand and as a level sensor on the other hand, a double synergistic effect between these two functions. On the one hand, the multiple use of the coil saves both hardware and installation space. In particular, existing induction heaters, in which the interior of the crucible of the magnetic flux component Φ of the induction coil can be enforced, be upgraded by a pure change of wiring to the level sensor. On the other hand, the magnetic circuit formed by the induction coil, the crucible and the metal is dimensioned to the extent that, for example, the comparatively weakly paramagnetic aluminum, which is very interesting as a starting material for 3D printers, generates a sufficiently strong measuring signal, so that it does not can only be distinguished between a completely empty and a fully filled reservoir, but also any intermediate states can be detected. In addition to aluminum, for example, copper, silver, tin and gold from starting materials for 3D printers are interesting, these metals are more paramagnetic than aluminum, so in the level measurement provide a stronger measurement signal. For the selection of the starting material, the melting point is an essential factor.

Es kann weiterhin nicht nur der Füllstand h erfasst werden, sondern auch jede andere Zustandsgröße, die einen Einfluss auf die relative magnetische Permeabilität µr des Metalls hat. Beispielsweise kann auf diese Weise kontrolliert werden, ob das schmelzbare Material vollständig aufgeschmolzen und der Druckkopf somit druckbereit ist, bzw. ob von kürzlich frisch zugeführtem schmelzbaren Material noch eine feste Phase übrig ist, deren Aufschmelzen abgewartet werden sollte.Furthermore, not only the level h can be detected, but also any other state variable which has an influence on the relative magnetic permeability μ r of the metal. For example, can be controlled in this way, whether the fusible material completely melted and the print head is thus ready to print, or whether recently freshly supplied fusible material is still a solid phase, the melting should be awaited.

Das schmelzbare Material kann insbesondere ein Metall sein. Bei Metallen weicht die relative magnetische Permeabilität µr tendenziell stärker von 1 ab als bei Nichtmetallen, d.h., ein Diamagnetismus, Paramagnetismus oder Ferromagnetismus ist tendenziell ausgeprägter. Prinzipiell ist jedoch der Füllstand h jedes schmelzbaren Materials, dessen relative magnetische Permeabilität µr wie schwach auch immer von 1 abweicht, erfassbar. Es ist lediglich ein umso größerer Aufwand für die Messung erforderlich, je näher die relative magnetische Permeabilität µr des Materials an 1 liegt.The fusible material may in particular be a metal. For metals, the relative magnetic permeability μ r tends to deviate more from 1 than for non-metals, ie diamagnetism, paramagnetism or ferromagnetism tend to be more pronounced. In principle, however, the level h of each fusible material whose relative magnetic permeability μ r deviates from 1, however weak, can be detected. It is only a greater effort for the measurement required, the closer the relative magnetic permeability μ r of the material is 1.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Induktionsspule mit einem Kondensator in einen LC-Schwingkreis geschaltet, und die Messmittel umfassen ein Amplitudenmessgerät zur Messung der Amplitude einer durch die Wechselspannungsquelle angeregten Schwingung in dem LC-Schwingkreis als Messgröße M. Dabei kann das Amplitudenmessgerät beispielsweise dazu ausgebildet sein. die Amplitude der über dem Kondensator anliegenden Spannung oder auch die Amplitude des durch die Induktionsspule fließenden Stroms zu messen.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the induction coil is connected with a capacitor in an LC resonant circuit, and the measuring means comprise an amplitude measuring device for measuring the amplitude of an excited by the AC voltage oscillation in the LC resonant circuit as a measured variable M. In this case, the amplitude measuring device, for example be trained to. to measure the amplitude of the voltage applied across the capacitor or also the amplitude of the current flowing through the induction coil.

Die Eigenfrequenz f0 eines LC-Schwingkreises ist gegeben durch f 0 = 1 2 π ⋅ L ⋅ C ,

Figure DE102017204441A1_0002
worin C die Kapazität des Kondensators ist. Es gibt mehrere Möglichkeiten zur Messungen der erzwungenen Schwingung in dem LC-Schwingkreis mit abgestuftem Aufwand und dementsprechend unterschiedlicher Messgenauigkeit.The natural frequency f 0 of an LC resonant circuit is given by f 0 = 1 2 π ⋅ L ⋅ C .
Figure DE102017204441A1_0002
 where C is the capacitance of the capacitor. There are several possibilities for measuring the forced oscillation in the LC resonant circuit with graduated effort and correspondingly different measurement accuracy.

Die Resonanzkurve der Amplitude in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz f hat in der Regel ein definiertes Maximum, wenn die Anregungsfrequenz f der Eigenfrequenz f0 entspricht, und fällt zu anderen Frequenzen hin stetig ab. Ändert sich auf Grund des veränderten Füllstandes h im Tiegel die relative magnetische Permeabilität µr, und in der Folge die Induktivität L und schließlich die Eigenfrequenz f0, so wird die Amplitude der Schwingung in dem LC-Kreis größer, wenn sich f0 näher an die Anregungfrequenz f heranbewegt, und kleiner, wenn sich f0 weiter von der Anregungsfrequenz f entfernt. Der Füllstand kann also bereits durch Messung bei nur einer festen Anregungsfrequenz f näherungsweise bestimmt werden. Zumindest kann verfolgt werden, in welcher Richtung der Füllstand sich ändert.The resonance curve of the amplitude as a function of the excitation frequency f generally has a defined maximum when the excitation frequency f corresponds to the natural frequency f 0 , and steadily drops towards other frequencies. If, due to the changed filling level h in the crucible, the relative magnetic permeability μ r changes , and consequently the inductance L and finally the natural frequency f 0 , the amplitude of the oscillation in the LC circuit increases as f 0 approaches the excitation frequency f moves up, and smaller when f 0 farther from the excitation frequency f. The level can therefore already by measuring only one fixed Excitation frequency f are approximately determined. At least it can be tracked in which direction the level changes.

Die Genauigkeit lässt sich deutlich steigern, wenn die Wechselspannungsquelle frequenzvariabel ist. So lässt sich zum Beispiel die feste Anregungsfrequenz f dergestalt wählen, dass zu Beginn der Messung die Amplitude der Schwingung maximal ist, so dass sich ein maximaler Signalhub ergibt. Weiterhin kann die Amplitude auch frequenzabhängig gemessen werden zwecks eindeutiger Unterscheidung, welche Änderungen der Amplitude von einer Änderung der Induktivität L (und damit der Eigenfrequenz f0) herrühren und welche Änderungen der Amplitude auf andere Einflüsse zurückzuführen sind.The accuracy can be significantly increased if the AC voltage source is frequency-variable. Thus, for example, the fixed excitation frequency f can be selected such that the amplitude of the oscillation is maximal at the beginning of the measurement, resulting in a maximum signal swing. Furthermore, the amplitude can also be measured frequency-dependent for the purpose of clearly distinguishing which changes in the amplitude result from a change in the inductance L (and thus the natural frequency f 0 ) and which changes in the amplitude can be attributed to other influences.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Messmittel dazu ausgebildet, die Eigenfrequenz f0 des LC-Schwingkreises als Messgröße M zu bestimmen. Zum einen minimiert dies die Messunsicherheit, denn die Anregungsfrequenz f kann entweder f0 entsprechen oder eben nicht; hier gibt es keine Zwischenwerte. Zum anderen kann aus der Eigenfrequenz fo auf die Induktivität L zurückgerechnet werden. Ist eine Eichung verfügbar, welche Induktivität L für das verwendete schmelzbare Material welchem Füllstand entspricht, kann der Füllstand quantitativ exakt ermittelt werden. Damit kann beispielsweise abgeschätzt werden, ob der aktuelle Vorrat an schmelzbarem Material im Tiegel noch ausreicht, um den aktuellen Druckauftrag des 3D-Druckers ohne Unterbrechung zum Nachfüllen und Aufschmelzen frischen schmelzbaren Materials abarbeiten zu können. Die erste nach einer solchen Unterbrechung aufgetragene Schicht würde sich von den anderen Schichten dahingehend unterscheiden, dass sie auf bereits vollständig erkaltetes schmelzbares Material aufgebracht wird. Hier könnte sich in Bezug auf die Festigkeit des hergestellten Objekts eine Schwachstelle bilden.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the measuring means are designed to determine the natural frequency f 0 of the LC resonant circuit as measured variable M. On the one hand, this minimizes the measurement uncertainty, since the excitation frequency f can either correspond to f 0 or not; there are no intermediate values here. On the other hand can be calculated back to the inductance L from the natural frequency fo. If a calibration is available, which inductance L for the used fusible material corresponds to which level, the level can be determined quantitatively exactly. This can be estimated, for example, whether the current supply of fusible material in the crucible is still sufficient to process the current print job of the 3D printer without interruption to refill and melting fresh fusible material can. The first layer applied after such an interruption would differ from the other layers in that it is applied to already fully cooled fusible material. This could be a weak point in terms of the strength of the manufactured object.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Messmittel ein Phasenmessgerät zur Messung der Phasenbeziehung φ zwischen dem Strom I durch die Induktionsspule und der Wechselspannung U* der Wechselspannungsquelle als Messgröße M. Diese Phasenbeziehung ist damit verknüpft, wie sich die Gesamtimpedanz der Induktionsspule aus Realteil und Imaginärteil zusammensetzt. Der Realteil geht auf den ohmschen Widerstand der Induktionsspule zurück. Der Imaginärteil gibt die Induktanz an, die das Produkt aus der Kreisfrequenz ω und der gesuchten Induktivität L ist. Analog zur Messung der Eigenfrequenz f0 kann aus L mit einer entsprechenden Eichung quantitativ auf den Füllstand zurückgeschlossen werden.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the measuring means comprise a phase meter for measuring the phase relationship φ between the current I through the induction coil and the AC voltage U * of the AC voltage source as a measured variable M. This phase relationship is linked to how the total impedance of the induction coil of real part and imaginary part. The real part is based on the ohmic resistance of the induction coil. The imaginary part indicates the inductance which is the product of the angular frequency ω and the sought inductance L. Analogously to the measurement of the natural frequency f 0, it is possible to quantitatively deduce the level from L by means of an appropriate calibration.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Messmittel eine Maxwellsche Messbrücke, in die die Induktionsspule als unbekannte Induktivität geschaltet ist. Eine solche Messbrücke basiert auf dem Nullabgleich einer Spannung zwischen zwei Punkten, an denen ein Referenzstromkreis mit einer bekannten Referenzinduktivität und zwei regelbaren Widerständen einerseits und ein Stromkreis mit der unbekannten Induktivität und einem weiteren bekannten Widerstand andererseits miteinander in Kontakt stehen. Ein solcher Nullabgleich ist etwas aufwändiger als eine rein passive Messung, da er aktiv eingeregelt werden muss. Dafür ist das Messergebnis für die Induktivität sehr präzise. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die zu messende Füllstandsänderung sehr klein ist und/oder wenn das verwendete schmelzbare Material eine nur sehr wenig von 1 abweichende relative magnetische Permeabilität µr hat.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the measuring means comprise a Maxwell's measuring bridge into which the induction coil is connected as an unknown inductance. Such a measuring bridge is based on the zero balance of a voltage between two points at which a reference circuit with a known reference inductance and two controllable resistors on the one hand and a circuit with the unknown inductance and another known resistance on the other hand are in contact. Such a zero adjustment is a little more expensive than a purely passive measurement, since it must be actively adjusted. The measurement result for the inductance is very precise. This is particularly advantageous if the level change to be measured is very small and / or if the fusible material used has a relative magnetic permeability μ r deviating only slightly from 1.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Messmittel einen Lock-In-Verstärker. Dabei beinhaltet ein Referenzausgang des Lock-In-Verstärkers die Wechselspannungsquelle, und/oder der Referenzausgang steuert diese Wechselspannungsquelle an. Alternativ oder in Kombination hierzu ist ein Referenzeingang des Lock-In-Verstärkers mit der Wechselspannungsquelle synchronisiert. Die Messung mit einem Lock-In-Verstärker ist besonders schmalbandig und rauscharm. Selbst Signal-Rausch-Verhältnisse in der Größenordnung 10-5 sind noch beherrschbar.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the measuring means comprise a lock-in amplifier. In this case, a reference output of the lock-in amplifier includes the AC voltage source, and / or the reference output controls this AC voltage source. Alternatively or in combination with this, a reference input of the lock-in amplifier is synchronized with the AC voltage source. The measurement with a lock-in amplifier is particularly narrow-band and low-noise. Even signal-to-noise ratios on the order of 10 -5 are still manageable.

Die Vorrichtung eignet sich prinzipiell für die Füllstandsmessung in jeder Art von Tiegel, die mit einer Induktionsheizung beheizbar ist. Besonders vorteilhaft ist nach dem zuvor Gesagten der Tiegel jedoch in einem Druckkopf eines 3D-Druckers für metallische Ausgangsmaterialien, und/oder in der Zuführung des metallischen Ausgangsmaterials zu dem Druckkopf, angeordnet.The device is suitable in principle for the level measurement in any type of crucible, which can be heated with an induction heater. However, according to the above, the crucible is particularly advantageously arranged in a print head of a 3D printer for metallic starting materials, and / or in the feed of the metallic starting material to the print head.

Die doppelte Nutzung der Induktionsheizung als Heizung und als Füllstandssensor ermöglicht es, den Druckkopf nach wie vor klein und kompakt zu bauen, so dass er schnell und mit hoher Präzision relativ zum herzustellenden Objekt bewegt werden kann.The dual use of the induction heating as a heater and as a level sensor makes it possible to build the printhead still small and compact, so that it can be moved quickly and with high precision relative to the object to be produced.

Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Messung des Füllstands, und/oder einer sonstigen Zustandsgröße, eines schmelzbaren Materials in einem Tiegel. Es ist eine Heizung für den Tiegel, und/oder für das schmelzbare Material selbst, vorgesehen, die mindestens eine Wechselspannungsquelle und mindestens eine Induktionsspule umfasst.From the above, the invention also relates to a method for measuring the level, and / or other state variable, of a fusible material in a crucible. There is provided a heater for the crucible, and / or for the fusible material itself, comprising at least one AC source and at least one induction coil.

Erfindungsgemäß wird der Innenraum des Tiegels von einer magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule durchsetzt. Eine physikalische Messgröße M, die von der Induktivität L der Induktionsspule abhängt, wird gemessen. Der Füllstand h, und/oder die sonstige Zustandsgröße, wird aus der physikalischen Messgröße M ausgewertet.According to the invention the interior of the crucible of a magnetic flux component Φ the induction coil interspersed. A physical quantity M, which depends on the inductance L of the induction coil, is measured. The level h, and / or the other state variable is evaluated from the physical quantity M.

Vielfach sind Induktionsheizungen bereits mit Messmitteln insbesondere für elektrische Größen ausgestattet, um den Heizprozess zu überwachen. Auch werden viele Induktionsheizungen bereits als LC-Schwingkreise betrieben, d.h., die Wechselspannungsquelle wird nahe der Eigenfrequenz f0 betrieben, die sich aus dem Zusammenspiel der Induktivität L der Induktionsspule mit der Kapazität C der Wechselspannungsquelle ergibt. Das Verfahren kann dann an einer bestehenden Apparatur, die den Tiegel und die Induktionsspule enthält, ohne Änderung der Hardware umgesetzt werden. Der Betrieb der Induktionsheizung nahe der Eigenfrequenz f0 maximiert zum einen die Amplitude in dem LC-Schwingkreis, so dass entsprechend viel Energie übertragen werden kann. Zum anderen wirkt sich dann eine Änderung der Induktivität L auch besonders stark auf die Phasenbeziehung φ zwischen dem Strom I durch die Induktionsspule und der Wechselspannung U* der Wechselspannungsquelle aus.In many cases, induction heaters are already equipped with measuring means, in particular for electrical variables, in order to monitor the heating process. Also, many induction heaters are already operated as LC resonant circuits, ie, the AC voltage source is operated near the natural frequency f 0 , resulting from the interaction of the inductance L of the induction coil with the capacitance C of the AC voltage source. The process can then be implemented on existing equipment containing the crucible and the induction coil without changing the hardware. The operation of the induction heating near the natural frequency f 0, on the one hand, maximizes the amplitude in the LC resonant circuit so that correspondingly much energy can be transmitted. On the other hand, then a change in the inductance L also has a particularly strong effect on the phase relationship φ between the current I through the induction coil and the AC voltage U * of the AC voltage source.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur T des schmelzbaren Materials gemessen und bei der Auswertung des Füllstands h, und/oder der sonstigen Zustandsgröße, berücksichtigt. Die relative magnetische Permeabilität µr, über die die Induktivität L der Induktionsspule mit dem Füllstand h , und/oder der sonstigen Zustandsgröße, zusammenhängt, ist insbesondere bei Metallen als schmelzbare Materialien temperaturabhängig. Da eine Induktionsheizung nicht selbstlimitierend ist, haben die meisten Apparaturen, die einen Induktionsheizer enthalten, eine Sensorik für die Temperatur.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the temperature T of the fusible material is measured and taken into account in the evaluation of the level h, and / or the other state variable. The relative magnetic permeability μ r , via which the inductance L of the induction coil with the filling level h, and / or the other state variable, is dependent on temperature, in particular for metals as fusible materials. Since induction heating is not self-limiting, most appliances that include an induction heater have temperature sensors.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Wert des Füllstands h, und/oder der sonstigen Zustandsgröße, anhand des Werts der physikalischen Messgröße M aus einer Eichtabelle abgerufen. Die Eichtabelle kann beispielsweise ermittelt werden, indem die physikalische Messgröße in einem ersten Schritt mit leerem Tiegel und anschließend für verschiedene Füllstände des Tiegels ermittelt wird.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the value of the filling level h, and / or the other state variable is retrieved from a calibration table on the basis of the value of the physical measured variable M. The calibration table can be determined, for example, by determining the physical measured variable in a first step with an empty crucible and then for different fill levels of the crucible.

Da das Verfahren insbesondere auch an bereits existierenden Apparaturen ohne Änderung der Hardware umgesetzt werden kann, kann es insbesondere ganz oder teilweise in Software implementiert sein. Diese Software ist als eigenständiges Produkt, das beispielsweise einen existierenden Druckkopf oder 3D-Drucker um die Füllstandsmessung erweitert, vermarktbar und kann beispielsweise als vom Benutzer einspielbarer Download verkauft werden. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogrammprodukt mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, ein Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen und/oder dessen Ausführung zu steuern.In particular, since the method can also be implemented on already existing apparatuses without changing the hardware, it can in particular be implemented completely or partially in software. This software is marketable as a stand-alone product that extends, for example, an existing printhead or 3D printer to level measurement, and can be sold, for example, as a user-downloadable download. Therefore, the invention also relates to a computer program product having machine-readable instructions which, when executed on a computer, cause the computer to execute a method according to the invention and / or to control its execution.

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.

Figurenlistelist of figures

Es zeigt:

  • 1 Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 und des Verfahrens 100;
  • 2 Beispielhafte Abhängigkeit der physikalischen Messgröße M und der Phasenbeziehung φ zwischen Strom I und Anregungsspannung U* von der Anregungsfrequenz f;
  • 3 Messung der Induktivität L der Induktionsspule 4b mit einer Maxwellschen Messbrücke 53.
It shows:
  • 1 Embodiment of the device 1 and the method 100;
  • 2 Exemplary dependence of the physical quantity M and the phase relationship φ between current I and excitation voltage U * from the excitation frequency f;
  • 3 Measurement of the inductance L of the induction coil 4b with a Maxwell's measuring bridge 53.

Nach 1 beherbergt ein Tiegel 3 in seinem Innenraum 3a beispielhaft flüssiges Metall als schmelzbares Material 2. Der Tiegel 3 ist oben mit einem Deckel 3c verschlossen und hat in seinem Boden eine Austrittsöffnung 3b, aus der das flüssige Metall 2 beim 3D-Druck mit einem Druckkopf, in den der Tiegel 3 integriert ist, austreibbar ist. Der Druckkopf und die Mittel zum Austreiben des flüssigen Metalls 2 in Tropfenform sind in 1 der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet.To 1 houses a pot 3 in his interior 3a exemplary liquid metal as a fusible material 2 , The crucible 3 is closed at the top with a lid 3c and has an outlet opening in its bottom 3b from which the liquid metal 2 when printing 3D with a printhead in which the crucible 3 is integrated, is expelled. The printhead and the means for expelling the liquid metal 2 in teardrop shape are in 1 for the sake of clarity not shown.

Der Tiegel 3 ist mit einer Heizung 4 heizbar. Die Heizung 4 umfasst eine Wechselspannungsquelle 4a und eine Induktionsspule 4b. Die Induktionsspule 4b ist zusammen mit einem Kondensator 6a in einen LC-Schwingkreis 6 geschaltet. Die Heizung 4 einschließlich des Schwingkreises 6 bildet gemeinsam mit den Messmitteln 5 die Vorrichtung 1 zur Messung des Füllstands h.The crucible 3 is with a heater 4 heated. The heating system 4 includes an AC voltage source 4a and an induction coil 4b , The induction coil 4b is together with a capacitor 6a into an LC resonant circuit 6 connected. The heating system 4 including the resonant circuit 6 forms together with the measuring equipment 5 the device 1 for measuring the level h.

Die Messmittel 5 beinhalten einen Lock-In-Verstärker 54 mit einem Referenzausgang 54a, einem Referenzeingang 54b sowie zwei Eingängen 54c und 54d. Der Referenzausgang 54a gibt die Frequenz und Phase der Wechselspannung vor, mit der die Induktionsspule 4b beaufschlagt wird. Zu diesem Zweck steuert der Referenzausgang 54a die Wechselspannungsquelle 4a an, die wiederum die zum Heizen des Tiegels 3 nötige Leistung bereitstellt. Die über dem Kondensator 6a anliegende Spannung U wird mit dem Voltmeter 51a gemessen und dem Eingang 54c des Lock-In-Verstärkers 54 zugeleitet. Der durch die Induktionsspule 4b fließende Strom I wird mit dem Amperemeter 51b gemessen und dem Eingang 54d des Lock-In-Verstärkers 54 zugeleitet. Das Voltmeter 51a und das Amperemeter 51b messen somit jeweils die Amplitude der durch die Wechselspannungsquelle 4a angeregten Schwingung in dem LC-Schwingkreis 6 und sind somit Amplitudenmessgeräte 51. Zugleich ist das Amperemeter 51a auch dazu ausgebildet, die Phasenbeziehung zwischen dem Strom I und der Wechselspannung U* aus der Wechselspannungsquelle 4a zu messen. Es ist somit auch ein Phasenmessgerät 52. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel werden jedoch nur Amplituden ausgewertet. Daher ist die weitere Auswertung von Phaseninformation in 1 nicht eingezeichnet.The measuring equipment 5 include a lock-in amplifier 54 with a reference output 54a, a reference input 54b as well as two entrances 54c and 54d , The reference output 54a specifies the frequency and phase of the AC voltage with which the induction coil 4b is charged. For this purpose, the reference output controls 54a the AC source 4a which in turn is used to heat the crucible 3 necessary power provides. The over the capacitor 6a voltage U is applied with the voltmeter 51a measured and the entrance 54c of the lock-in amplifier 54 fed. The through the induction coil 4b flowing current I is using the ammeter 51b measured and the entrance 54d of the lock-in amplifier 54 fed. The voltmeter 51a and the ammeter 51b thus each measure the amplitude of the AC voltage source 4a excited vibration in the LC resonant circuit 6 and are thus amplitude measuring devices 51 , At the same time is the ammeter 51a also adapted to the phase relationship between the current I and the AC voltage U * from the AC voltage source 4a to eat. It is thus also a phase meter 52 , In the in 1 shown embodiment, however, only amplitudes are evaluated. Therefore, the further evaluation of phase information in 1 not shown.

Der Kondensator 6a, die Amplitudenmessgeräte 51 und das Phasenmessgerät 52 sind in 1 jeweils zur Verdeutlichung ihrer Funktion in der Vorrichtung 1 als eigenständige Einheiten eingezeichnet. Sie können jedoch auch ganz oder teilweise bereits in der Wechselspannungsquelle 4a integriert sein.The capacitor 6a , the amplitude meters 51 and the phase meter 52 are in 1 each to clarify their function in the device 1 drawn as independent units. However, you can also completely or partially already in the AC voltage source 4a be integrated.

Im Strom U und in der Spannung I steckt die Information über den Füllstand h des flüssigen Metalls 2 im Tiegel 3, weil das flüssige Metall 2 den Kern der Induktionsspule 4b bildet und von der magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule 4b durchsetzt ist. In dem in 1 gezeigten Beispiel entspricht diese Flusskomponente Φ dem zum Heizen verwendeten magnetischen Fluss, d.h., dieser Fluss dringt durch das Material des Tiegels 3 in das flüssige Metall 2 ein und heizt nicht nur den Tiegel 3, sondern auch das Metall 2 direkt. Die relative magnetische Permeabilität µr des flüssigen Metalls 2 beeinflusst die Induktivität L der Induktionsspule 4b. Von dieser Induktivität L hängt wiederum die Eigenfrequenz f0 des Schwingkreises 6 ab. Die Lage der Eigenfrequenz f0 ist das wesentliche Kriterium, das über die Antwort des Schwingkreises 6 in Strom I und Spannung U auf eine Anregung mit einer beliebigen Frequenz f entscheidet. Sie entscheidet insbesondere darüber, inwieweit sich die Spannung U über die von der Wechselspannungsquelle 4a gelieferte Anregungsspannung U* hinaus aufschaukelt.In the current U and in the voltage I is the information about the level h of the liquid metal 2 in the crucible 3 because the liquid metal 2 the core of the induction coil 4b forms and of the magnetic flux component Φ of the induction coil 4b is interspersed. In the in 1 As shown, this flux component Φ corresponds to the magnetic flux used for heating, ie, this flux penetrates through the material of the crucible 3 into the liquid metal 2 and not only heats the crucible 3 but also the metal 2 directly. The relative magnetic permeability μ r of the liquid metal 2 affects the inductance L of the induction coil 4b , From this inductance L in turn depends on the natural frequency f 0 of the resonant circuit 6 from. The position of the natural frequency f 0 is the essential criterion that determines the response of the resonant circuit 6 in current I and voltage U on an excitation with an arbitrary frequency f decides. It decides in particular on the extent to which the voltage U over that of the AC voltage source 4a provided excitation voltage U * also aufschaukelt.

Der Lock-In-Verstärker 54 misst die Komponente der Spannung U, bzw. des Stroms I, die genau mit der vom Referenzausgang 54a vorgegebenen Frequenz f moduliert ist. Diese Komponente stellt die physikalische Messgröße M dar, die an eine Auswerteeinheit 55 zur Ermittlung des Füllstands h weitergeleitet wird.The lock-in amplifier 54 measures the component of the voltage U, or current I, which is exactly the same as that of the reference output 54a predetermined frequency f is modulated. This component represents the physical measurand M, which is sent to an evaluation unit 55 is forwarded to determine the level h.

Das Durchsetzen 110 des Metalls 2 mit der magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule 4b sowie die Ermittlung von M mit dem Lock-In-Verstärker 54 bilden die ersten Schritte des Verfahrens 100 zur Messung des Füllstands h. Der Rückschluss 130 von der Messgröße M auf den Füllstand h wird in der Auswerteeinheit 55 durchgeführt. Zu diesem Zweck berücksichtigt die Auswerteeinheit 55 in Schritt 140 den Einfluss der Temperatur T auf die relative magnetische Permeabilität µr des flüssigen Metalls 2. Die Temperatur T wird mit dem Temperatursensor 3d, der Teil des Tiegels 3 ist, gemessen. Anschließend wird in Schritt 150 anhand des Werts der Messgröße M der dazu passende Wert für den Füllstand h aus der Eichtabelle 7 in der Auswerteeinheit 55 abgerufen.The enforcement 110 of the metal 2 with the magnetic flux component Φ of the induction coil 4b and the determination of M with the lock-in amplifier 54 form the first steps of the procedure 100 for measuring the level h. The inference 130 from the measurand M to the level h is in the evaluation unit 55 carried out. For this purpose, the evaluation unit takes into account 55 in step 140 the influence of temperature T on the relative magnetic permeability μr of the liquid metal 2 , The temperature T is with the temperature sensor 3d , the part of the crucible 3 is, measured. Subsequently, in step 150 based on the value of the measured variable M, the appropriate value for the level h from the calibration table 7 in the evaluation unit 55 accessed.

2 zeigt beispielhaft die Abhängigkeit der physikalischen Messgröße M (linke Skala) sowie der Phasenbeziehung φ zwischen dem Strom I durch die Induktionsspule 4b und der Anregungsspannung U* von der Anregungsfrequenz f. Für die Messgröße M zeigt sich ein scharfes Maximum bei der Eigenfrequenz f0. Die Lage dieses Maximums entscheidet auch über den Wert von M bei allen anderen Frequenzen f als f0. Am genauesten lässt sich der Füllstand h bestimmen, wenn f0 bestimmt und hieraus dann die Induktivität L der Induktionsspule 4b ausgewertet wird. Die Phasenbeziehung φ verharrt bis kurz vor Erreichen der Eigenfrequenz f0 bei +90°, geht genau bei der Eigenfrequenz f0 durch Null und wechselt auf -90°. 2 shows by way of example the dependence of the physical quantity M (left scale) and the phase relationship φ between the current I through the induction coil 4b and the excitation voltage U * from the excitation frequency f. For the measurand M, there is a sharp maximum at the natural frequency f 0 . The position of this maximum also decides the value of M at all other frequencies f as f 0 . The most accurate level can be determined h, if f 0 determined and then from this the inductance L of the induction coil 4b is evaluated. The phase relationship φ remains until shortly before reaching the natural frequency f 0 at + 90 °, goes exactly at the natural frequency f 0 through zero and changes to -90 °.

3 zeigt die Messung der Induktivität L, sowie auch des ohmschen Widerstands R, der Induktionsspule 4b mit einer Maxwellschen Messbrücke 53. Das Ersatzschaltbild für die Induktionsspule 4b ist hier eine Reihenschaltung aus der Induktivität L und dem ohmschen Widerstand R. Ansonsten enthält die Maxwellsche Messbrücke 53 eine Referenzinduktivität 53a mit dem Wert LR, zwei regelbare Widerstände 53b und 53c mit Widerstandswerten R1 und R2 sowie ein Voltmeter 53e. Die Messbrücke 53 wird von einer Wechselspannungsquelle 53f gespeist. 3 shows the measurement of the inductance L, as well as the ohmic resistance R, the induction coil 4b with a Maxwell measuring bridge 53 , The equivalent circuit diagram for the induction coil 4b Here is a series connection of the inductance L and the ohmic resistance R. Otherwise contains the Maxwell bridge 53 a reference inductance 53a with the value L R , two adjustable resistors 53b and 53c with resistance values R 1 and R 2 as well as a voltmeter 53e. The measuring bridge 53 is from an AC source 53f fed.

Die regelbaren Widerstände 53b und 53c sind so abzugleichen, dass die Spannung U' am Voltmeter 53e zu Null wird. Dann ist der Widerstand R der Induktionsspule 4b gegeben durch R = R 3 ⋅ R 1 R 2 ,

Figure DE102017204441A1_0003
und die Induktivität L der Induktionsspule 4b ist gegeben durch L = R 3 ⋅ L R R 2 .
Figure DE102017204441A1_0004
 The controllable resistances 53b and 53c are to be adjusted so that the voltage U 'at the voltmeter 53e becomes zero. Then the resistance R of the induction coil 4b given by R = R 3 ⋅ R 1 R 2 .
Figure DE102017204441A1_0003
 and the inductance L of the induction coil 4b is given by L = R 3 ⋅ L R R 2 ,
Figure DE102017204441A1_0004

Für diese Messung ist eine Anregung der Messbrücke mit Wechselspannung erforderlich. Jedoch fällt die Anregungsfrequenz bei der Berechnung von R und L jeweils heraus.For this measurement, excitation of the measuring bridge with AC voltage is required. However, the excitation frequency in the calculation of R and L respectively falls out.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 3423868 A1 [0005]DE 3423868 A1 [0005]
  • DE 3427563 C2 [0005]DE 3427563 C2 [0005]
  • DE 102009011849 A1 [0005]DE 102009011849 A1 [0005]
  • EP 0111228 B1 [0005]EP 0111228 B1 [0005]

Claims (12)

Vorrichtung (1) zur Messung des Füllstands h, und/oder einer sonstigen Zustandsgröße, eines schmelzbaren Materials (2) in einem Tiegel (3), wobei eine Heizung (4) für den Tiegel (3), und/oder für das schmelzbare Material (2) selbst, vorgesehen ist, die mindestens eine Wechselspannungsquelle (4a) und mindestens eine Induktionsspule (4b) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (3) und die Induktionsspule (4b) so zueinander angeordnet sind, dass der Innenraum (3a) des Tiegels (3) von einer magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule (4b) durchsetzt ist, und Messmittel (5) zur Messung einer von der Induktivität L der Induktionsspule (4b) abhängigen physikalischen Messgröße M vorgesehen sind.Device (1) for measuring the level h, and / or other state variable, of a fusible material (2) in a crucible (3), wherein a heater (4) for the crucible (3), and / or for the fusible material (2) itself, is provided, which comprises at least one alternating voltage source (4a) and at least one induction coil (4b), characterized in that the crucible (3) and the induction coil (4b) are arranged relative to one another such that the interior (3a) of the crucible (3) is penetrated by a magnetic flux component Φ of the induction coil (4b), and measuring means (5) are provided for measuring a physical quantity M dependent on the inductance L of the induction coil (4b). Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule mit einem Kondensator (6a) in einen LC-Schwingkreis (6) geschaltet ist und die Messmittel (5) mindestens ein Amplitudenmessgerät (51) zur Messung der Amplitude einer durch die Wechselspannungsquelle (4a) angeregten Schwingung in dem LC-Schwingkreis (6) als Messgröße M umfassen.Device (1) according to Claim 1 , characterized in that the induction coil with a capacitor (6a) in an LC resonant circuit (6) is connected and the measuring means (5) at least one amplitude measuring device (51) for measuring the amplitude of an excited by the AC voltage source (4a) oscillation in the LC resonant circuit (6) comprise as measured variable M. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle (4a) frequenzvariabel ist.Device (1) according to Claim 2 , characterized in that the AC voltage source (4a) is frequency-variable. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (5) dazu ausgebildet sind, die Eigenfrequenz f0 des LC-Schwingkreises (6) als Messgröße M zu bestimmen.Device (1) according to Claim 3 , characterized in that the measuring means (5) are adapted to determine the natural frequency f 0 of the LC resonant circuit (6) as a measured variable M. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (5) ein Phasenmessgerät (52) zur Messung der Phasenbeziehung φ zwischen dem Strom I durch die Induktionsspule (4b) und der Wechselspannung U* der Wechselspannungsquelle (4a) als Messgröße M umfassen.Device (1) according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the measuring means (5) comprises a phase measuring device (52) for measuring the phase relationship φ between the current I through the induction coil (4b) and the AC voltage U * of the AC voltage source (4a) as a measured variable M. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (5) eine Maxwellsche Messbrücke (53) umfassen, in die die Induktionsspule (4b) als unbekannte Induktivität geschaltet ist.Device (1) according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the measuring means (5) comprise a Maxwell's measuring bridge (53) into which the induction coil (4b) is connected as an unknown inductance. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (5) einen Lock-In-Verstärker (54) umfassen, wobei ein Referenzausgang (54a) des Lock-In-Verstärkers (54) die Wechselspannungsquelle (4a) beinhaltet und/oder ansteuert, und/oder wobei ein Referenzeingang (54b) des Lock-In-Verstärkers (54) mit der Wechselspannungsquelle (4a) synchronisiert ist.Device (1) according to one of Claims 1 to 6 characterized in that the measuring means (5) comprise a lock-in amplifier (54), wherein a reference output (54a) of the lock-in amplifier (54) includes and / or controls the AC voltage source (4a), and / or wherein a reference input (54b) of the lock-in amplifier (54) is synchronized with the AC voltage source (4a). Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (3) in einem Druckkopf eines 3D-Druckers für metallische Ausgangsmaterialien, und/oder in der Zuführung des metallischen Ausgangsmaterials zu dem Druckkopf, angeordnet ist.Device (1) according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that the crucible (3) is arranged in a print head of a 3D printer for metallic starting materials, and / or in the feed of the metallic starting material to the print head. Verfahren (100) zur Messung des Füllstands h, und/oder einer sonstigen Zustandsgröße, eines schmelzbaren Materials (2) in einem Tiegel (3), wobei eine Heizung (4) für den Tiegel (3), und/oder für das schmelzbare Material (2) selbst, vorgesehen ist, die mindestens eine Wechselspannungsquelle (4a) und mindestens eine Induktionsspule (4b) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (3a) des Tiegels (3) von einer magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule (4b) durchsetzt wird (110), dass eine physikalische Messgröße M, die von der Induktivität L der Induktionsspule (4b) abhängt, gemessen wird (120), und dass der Füllstand h, und/oder die sonstige Zustandsgröße, aus der physikalischen Messgröße M ausgewertet wird (130).Method (100) for measuring the level h, and / or other state variable, of a fusible material (2) in a crucible (3), wherein a heater (4) for the crucible (3), and / or for the fusible material (2) itself, is provided, which comprises at least one AC voltage source (4a) and at least one induction coil (4b), characterized in that the interior (3a) of the crucible (3) is penetrated by a magnetic flux component Φ of the induction coil (4b) (110), that a physical quantity M, which depends on the inductance L of the induction coil (4b), is measured (120), and that the level h, and / or the other state variable, from the physical quantity M is evaluated (130 ). Verfahren (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur T des schmelzbaren Materials (2) gemessen und bei der Auswertung (130) des Füllstands h, und/oder der sonstigen Zustandsgröße, berücksichtigt wird (140).Method (100) according to Claim 9 , characterized in that the temperature T of the fusible material (2) measured and in the evaluation (130) of the level h, and / or the other state variable, is taken into account (140). Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Füllstands h, und/oder der sonstigen Zustandsgröße, anhand des Werts der physikalischen Messgröße M aus einer Eichtabelle (7) abgerufen wird (150).Method (100) according to one of Claims 9 to 10 , characterized in that the value of the level h, and / or the other state variable, based on the value of the physical quantity M from a calibration table (7) is called (150). Computerprogrammprodukt, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, ein Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 auszuführen und/oder dessen Ausführung zu steuern.A computer program product comprising machine readable instructions which, when executed on a computer, cause the computer to perform a method (100) of one of Claims 9 to 11 execute and / or control its execution.
DE102017204441.1A 2017-03-16 2017-03-16 Level measurement for raw material in a 3D printhead Pending DE102017204441A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017204441.1A DE102017204441A1 (en) 2017-03-16 2017-03-16 Level measurement for raw material in a 3D printhead

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017204441.1A DE102017204441A1 (en) 2017-03-16 2017-03-16 Level measurement for raw material in a 3D printhead

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102017204441A1 true DE102017204441A1 (en) 2018-09-20

Family

ID=63372429

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017204441.1A Pending DE102017204441A1 (en) 2017-03-16 2017-03-16 Level measurement for raw material in a 3D printhead

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102017204441A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3423868A1 (en) 1984-06-28 1986-01-02 Herbert Dipl.-Ing. 4030 Ratingen Tegelhütter Measurement coil device
EP0111228B1 (en) 1982-12-10 1986-07-30 INTERATOM Gesellschaft mit beschränkter Haftung Process and device for controlling the final filling of moulds with molten metal
DE3427563C2 (en) 1984-07-26 1986-12-11 Stopinc Ag, Baar Device for electromagnetic level measurement for metallurgical vessels
DE102009011849A1 (en) 2009-03-05 2010-09-09 Sms Siemag Aktiengesellschaft Device for continuous casting of steel, comprises a continuous casting mold and a supply container for the supply of metal melt to the casting mold, where the supply container and the casting mold are arranged next to each other

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0111228B1 (en) 1982-12-10 1986-07-30 INTERATOM Gesellschaft mit beschränkter Haftung Process and device for controlling the final filling of moulds with molten metal
DE3423868A1 (en) 1984-06-28 1986-01-02 Herbert Dipl.-Ing. 4030 Ratingen Tegelhütter Measurement coil device
DE3427563C2 (en) 1984-07-26 1986-12-11 Stopinc Ag, Baar Device for electromagnetic level measurement for metallurgical vessels
DE102009011849A1 (en) 2009-03-05 2010-09-09 Sms Siemag Aktiengesellschaft Device for continuous casting of steel, comprises a continuous casting mold and a supply container for the supply of metal melt to the casting mold, where the supply container and the casting mold are arranged next to each other

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0029091B1 (en) Device for electrically checking the level of a liquid contained in a recipient
DE19947380A1 (en) Proximity sensor operation method of
DE10014348B4 (en) Device for nondestructive measurement of the thickness of thin layers
DE102007008669A1 (en) Method for determining and / or monitoring a process variable of a medium and corresponding device
DE202011101482U1 (en) Device for detecting material properties
EP3256822B1 (en) Device for determining and/or monitoring at least one process variable for a medium and corresponding method
EP3830560B1 (en) Inductive analysis of metal objects
EP3191821A1 (en) Hand-held measuring device having an nmr sensor and method for the operation thereof
EP3555575B1 (en) Vibronic sensor with compensation for parasitic signals
DE69312661T2 (en) Method and device for characterizing a medium which contains at least one conductive portion
AT404653B (en) PROXIMITY SWITCH
DE102017204441A1 (en) Level measurement for raw material in a 3D printhead
EP1409963B1 (en) Sensor and method for detecting measurement variables and physical parameters
DE19710359A1 (en) System for determining movement value, e.g. rotation rate
WO2018007523A1 (en) Apparatus and method for heating a steering wheel and for sensing contact with the steering wheel
DE3537129C2 (en) Method and device for non-destructive material testing, especially for thickness determination
DE102018202760A1 (en) Measuring device and method for flow or heat measurement
EP4060295B1 (en) Method for compensating for the influence of the reynolds number on the measurement of a coriolis mass flow meter and such a device
DE102004051875A1 (en) Material sample`s specific heat capacity, temperature conductivity and/or heat conductivity determining device has material sample contacted with temperature sensor in distance from middle axis of material sample
DE2808587B2 (en) Method for determining the toner concentration of a two-component dry developer and device for carrying out such a method
EP2018548A1 (en) Method and sensor arrangement for measuring the mixing ratio of a mixture of substances
DE102020210844A1 (en) Device for determining consumption of a gas from a gas cylinder that is at least partially filled with gas
DE10058670A1 (en) Temperature measure within cooking pot using vibrating sensor placed in cooking pot wall that is excited by alternating magnetic field and then vibrates with its own measurable temperature dependent frequency
DE2205419C3 (en) Device for automatic, continuous measurement and display of changes in a liquid level
DE102011014888A1 (en) Device and method for controlling / regulating a filling level

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed