DE102017204509A1 - Printhead for 3D printing of metals - Google Patents

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Abstract

Druckkopf (1) für einen 3D-Drucker, umfassend ein Reservoir (2) für ein Metall (3), wobei das Reservoir (2) eine Austrittsöffnung (4) für den Ausstoß von Tropfen (3c) einer flüssigen Phase (3b) des Metalls (3) aufweist, wobei ein verschiebbar gelagerter Stempel (5) zur unmittelbaren Kraftausübung auf die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) vorgesehen ist, so dass die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung (4) anregbar ist, wobei das Reservoir (2) auf der der Austrittsöffnung (4) abgewandten Seite des für die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) vorgesehenen Schmelzeraumes (2b) einen Druckausgleichsraum (2a) enthält, in den die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) sich auszudehnen vermag.Zugehörige Verfahren zum Betreiben.A printhead (1) for a 3D printer, comprising a reservoir (2) for a metal (3), the reservoir (2) having an outlet opening (4) for ejecting drops (3c) of a liquid phase (3b) of the metal (3), wherein a displaceably mounted punch (5) for direct application of force to the liquid phase (3b) of the metal (3) is provided so that the liquid phase (3b) of the metal (3) for passage through the outlet opening ( 4) can be excited, wherein the reservoir (2) on the side facing away from the outlet opening (4) of the for the liquid phase (3b) of the metal (3) provided Schmelzeraumes (2b) includes a pressure compensation chamber (2a), in which the liquid phase (3b) of the metal (3) can expand. Related methods of operation.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, der zum Drucken von Metallen geeignet ist, sowie Verfahren zum Betreiben.The invention relates to a printhead for a 3D printer suitable for printing metals and to methods of operation.

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.

Der Druckkopf hat einen ersten Betriebszustand, in dem flüssiges Material aus ihm austritt, und einen zweiten Betriebszustand, in dem kein flüssiges Material aus ihm austritt. Der zweite Betriebszustand wird beispielsweise dann eingenommen, wenn eine andere Position auf der Arbeitsfläche angefahren werden und auf dem Weg dorthin kein Material deponiert werden soll. Zwischen den beiden Betriebszuständen des Druckkopfes kann beispielsweise umgeschaltet werden, indem der Vortrieb des festen Ausgangsmaterials ein- bzw. ausgeschaltet wird.The printhead has a first mode of operation in which liquid material exits therefrom and a second mode of operation in which no liquid material exits therefrom. The second operating state is assumed, for example, when a different position is approached on the work surface and no material is to be deposited on the way there. For example, it is possible to switch between the two operating states of the print head by switching on or off the propulsion of the solid starting material.

Gegenüber thermoplastischen Kunststoffen haben Metalle einen wesentlich höheren Schmelzpunkt und zugleich im flüssigen Zustand eine wesentlich geringere Viskosität. Ein Forschungsansatz zur Lösung der Aufgabe, dem Objekt nur an definierten Stellen flüssiges Metall hinzuzufügen, ist die pneumatische Drop-on-Demand-Technik. Diese Technik wird beispielsweise in ( Han-song Zuo, He-jun Li, Le-jua Qi, Jun Luo, Song-yi Zhong, Hai-peng Li, „Effect on wetting behavior on generation of uniform aluminum droplets obtained by pneumatic drop-on-demand technique“,Journal of Materials Processing Technology 214, 2566-2575 (2014) ) erläutert. Das metallische Ausgangsmaterial wird in einem Reservoir, das an seinem unteren Ende eine offene Düse aufweist, durch eine Induktionsheizung aufgeschmolzen. Um einen Tropfen flüssigen Metalls aus dieser Düse zu treiben, wird das Reservoir durch Zuführen eines Inertgases mit einem Druckpuls beaufschlagt.Compared to thermoplastics metals have a much higher melting point and at the same time in the liquid state a much lower viscosity. One research approach to solving the problem of adding liquid metal to the object at defined locations is pneumatic drop-on-demand technology. This technique is used for example in ( Han-song Zuo, He-jun Li, Le-juaqi, Jun Luo, Song-yi Zhong, Hai-peng Li, "Effect on wetting behavior on the basis of pneumatic drop-on-demand technique", Journal of Materials Processing Technology 214, 2566-2575 (2014) ) explained. The metallic starting material is melted by induction heating in a reservoir having an open nozzle at its lower end. To drive a drop of liquid metal from this nozzle, the reservoir is supplied by supplying an inert gas with a pressure pulse.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Druckkopf für einen 3D-Drucker entwickelt. Dieser Druckkopf umfasst ein Reservoir für ein Metall, wobei das Reservoir eine Austrittsöffnung für den Ausstoß von Tropfen einer flüssigen Phase des Metalls aufweist. Es ist ein verschiebbar gelagerter Stempel zur unmittelbaren Kraftausübung auf die flüssige Phase des Metalls vorgesehen, so dass die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregbar ist.Within the scope of the invention, a print head for a 3D printer has been developed. This printhead includes a reservoir for a metal, the reservoir having an exit port for discharging drops of a liquid phase of the metal. There is provided a displaceably mounted punch for direct application of force to the liquid phase of the metal, so that the liquid phase of the metal can be excited to pass through the outlet opening.

Erfindungsgemäß enthält das Reservoir auf der der Austrittsöffnung abgewandten Seite des für die flüssige Phase des Metalls vorgesehenen Schmelzeraumes einen Druckausgleichsraum, in den die flüssige Phase des Metalls sich auszudehnen vermag. Der Druckausgleichsraum kann insbesondere mit einem kompressiblen Gas gefüllt sein.According to the invention, the reservoir on the side facing away from the outlet opening of the intended for the liquid phase of the metal melt space contains a pressure compensation chamber, in which the liquid phase of the metal is able to expand. The pressure compensation chamber may in particular be filled with a compressible gas.

Die unmittelbare Kraftausübung durch den Stempel vermag den Austritt von Tropfen der flüssigen Phase des Metalls schneller und präziser anzuregen als die pneumatische Kraftausübung, da kein kompressibles Arbeitsmedium zwischengeschaltet ist. Zugleich ist durch den Druckausgleichsraum der Austritt von Tropfen von dem Füllstand der Schmelze in dem Reservoir entkoppelt. Der Austritt von Tropfen kann nicht unabsichtlich durch langsame Druckschwankungen in dem Reservoir angeregt werden, sondern nur durch eine durch den Stempel eingebrachte schnelle Druckänderung, die sich nicht vor dem Austritt des Tropfens in den Druckausgleichsraum entspannen kann. Der Stempel kann zu diesem Zweck insbesondere eine Druckwelle in die flüssige Phase des Metalls einbringen.The direct application of force by the punch can accelerate the discharge of drops of the liquid phase of the metal faster and more precisely than the pneumatic application of force, since no compressible working medium is interposed. At the same time, the outlet of drops from the level of the melt in the reservoir is decoupled by the pressure equalization chamber. The leakage of droplets can not be unintentionally stimulated by slow pressure fluctuations in the reservoir, but only by a rapid pressure change introduced by the ram, which can not relax before the droplet exits into the pressure compensation chamber. The stamp can for this purpose in particular bring a pressure wave in the liquid phase of the metal.

Somit kann vorteilhaft auch vermieden werden, dass Volumenänderungen des Reservoirs, und/oder des Metalls, auf Grund von thermischer Ausdehnung zu einem ungewollten Austritt von flüssigem Metall aus der Austrittsöffnung führen.Thus, it can also be advantageously avoided that volume changes of the reservoir, and / or of the metal, due to thermal expansion, lead to an unwanted escape of liquid metal from the outlet opening.

Dabei ist es nicht erforderlich, die Austrittsöffnung dicht zu verschließen, wenn kein flüssiges Metall austreten soll. Die vergleichsweise hohe Oberflächenspannung von Metallen verhindert, dass das Metall unkontrolliert aus der Austrittsöffnung tropft, solange ein gewisser Schweredruck der Flüssigkeitssäule nicht überschritten wird. Bei typischen Abmessungen der Austrittsöffnung kann beispielsweise bei Aluminium als Metall die Flüssigkeitssäule bis zu 50 mm hoch sein.It is not necessary to close the outlet tightly, if no liquid metal should escape. The comparatively high surface tension of metals prevents the metal from dripping uncontrollably out of the outlet opening as long as a certain gravity pressure of the liquid column is not exceeded. With typical dimensions of the outlet opening, for example, in the case of aluminum as metal, the liquid column can be up to 50 mm high.

Weiterhin muss der Stempel nicht auf die komplette Oberfläche der flüssigen Phase des Metalls drücken, sondern kann einen deutlich kleineren Querschnitt aufweisen. Dies verbessert die thermische Entkopplung der heißen flüssigen Phase des Metalls von dem Aktor in der Antriebsquelle des Stempels. Die meisten Aktoren haben maximale Betriebstemperaturen, die deutlich unterhalb der Schmelztemperatur von für den 3D-Druck relevanten Metallen liegen. So ist für einen Piezoaktor beispielsweise nur eine maximale Temperatur von 140 °C zulässig (Curie-Temperatur), da dieser sonst seine Piezo-Eigenschaft verliert, während reines Aluminium erst bei 650 °C schmilzt. Wird nun das Reservoir geheizt und zugleich der Aktor gekühlt, wird ein Teil der in das Reservoir eingekoppelten Wärme über den Stempel gleichsam zur Kühlung hin „kurzgeschlossen“. Je geringer der Querschnitt des Stempels und je größer seine Länge ist, desto geringer sind die hierdurch entstehenden thermischen Verluste des Druckkopfes.Furthermore, the stamp does not have to press on the entire surface of the liquid phase of the metal, but may have a much smaller cross-section. This improves the thermal decoupling of the hot liquid phase of the metal from the actuator in the drive source of the punch. Most actuators have maximum operating temperatures well below the melting temperature of metals relevant to 3D printing. For example, for a piezoelectric actuator, there is only a maximum temperature of 140 ° C permissible (Curie temperature), as this otherwise loses its piezoelectric property, while pure aluminum only melts at 650 ° C. If the reservoir is heated and the actuator is cooled at the same time, part of the heat coupled into the reservoir is "short-circuited" via the stamp, as it were, for cooling purposes. The smaller the cross section of the punch and the greater its length, the lower the resulting thermal losses of the print head.

Das Reservoir kann beispielsweise in zwei Zonen aufgeteilt sein. Unmittelbar an der Austrittsöffnung kann das Reservoir beispielsweise eine Endzone mit einem Innendurchmesser von unter 5 mm aufweisen, um einen Druckimpuls vom Stempel auf die flüssige Phase des Metalls zu übertragen und bis zur Austrittsöffnung zu leiten. Diese Zone kann von einer Vorratszone, die einen deutlich größeren Durchmesser aufweist, mit der flüssigen Phase des Metalls gespeist sein. In der Vorratszone sollte sich einem im Vergleich zum Tropfenausstoß große Menge Metall befinden, damit der Füllstand sich beim Ausstoß eines Tropfens nur unwesentlich ändert. Dies ist vorteilhaft für die Prozessstabilität, da der Druck an der Austrittsöffnung, der teilweise aus dem Schweredruck und damit aus dem Füllstand resultiert, dann konstant bleibt.The reservoir may for example be divided into two zones. Immediately at the outlet opening, the reservoir may for example have an end zone with an inner diameter of less than 5 mm in order to transmit a pressure pulse from the stamp to the liquid phase of the metal and to guide it to the outlet opening. This zone may be fed by a storage zone having a significantly larger diameter, with the liquid phase of the metal. In the storage zone, there should be a large amount of metal compared to the drop discharge, so that the filling level changes only insignificantly when a drop is ejected. This is advantageous for the process stability, since the pressure at the outlet opening, which partly results from the gravitational pressure and thus from the filling level, then remains constant.

Eine derartige Anordnung kann beispielsweise aus einem Materialblock gefertigt werden, indem in diesen Materialblock die Vorratszone als Sacklochbohrung und hierzu konzentrisch die Endzone als lange zylindrische Bohrung eingebracht wird.Such an arrangement can for example be made of a block of material by the storage zone is introduced as a blind hole and this concentrically the end zone as a long cylindrical bore in this block of material.

Das Reservoir beinhaltet umfasst also vorteilhaft eine Vorratszone, die den Druckausgleichsraum beinhaltet und/oder an den Druckausgleichsraum angrenzt, wobei die Vorratszone sich an einem der Austrittsöffnung zugewandten Ende zu einer Endzone verjüngt. Dabei kann die Endzone insbesondere vorteilhaft konzentrisch zur Vorratszone angeordnet sein und einen geringeren Durchmesser aufweisen als die Vorratszone. Vorteilhaft ist der Stempel in die Endzone bewegbar und/oder unter Freihaltung von Strömungsquerschnitten von der Innenwand der Endzone führbar. Strömungsquerschnitte können beispielsweise durch Anschliffe freigehalten sein.The reservoir thus advantageously comprises a storage zone, which includes the pressure compensation chamber and / or adjacent to the pressure compensation chamber, wherein the storage zone tapers at an end facing the outlet opening to an end zone. In this case, the end zone may in particular advantageously be arranged concentrically to the storage zone and have a smaller diameter than the storage zone. Advantageously, the stamp is movable into the end zone and / or can be guided while keeping flow cross sections free from the inner wall of the end zone. Flow cross sections can be kept free, for example, by polished sections.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stempel durch den Druckausgleichsraum in das Reservoir geführt. Dies bietet den zusätzlichen Vorteil, dass die Durchführung des Stempels nicht gegen die heiße flüssige Phase des Metalls abgedichtet sein muss. Dies vereinfacht die Materialauswahl der Kontaktmaterialien für die Durchführung und entschärft die kritischen Aufheiz- und Abkühlvorgänge, in denen sich Material innerhalb der Durchführung und ihrer Abdichtung absetzen und dort während des Aufschmelzens oder Erstarrens Schäden hervorrufen könnte.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the stamp is guided through the pressure equalization chamber in the reservoir. This offers the added advantage that the punch's implementation need not be sealed against the hot liquid phase of the metal. This simplifies the material selection of the contact materials for the bushing and defuses the critical heating and cooling processes in which material could settle within the bushing and its seal and cause damage there during melting or solidification.

Die Führung, d.h. die verschiebbare Lagerung, des Stempels kann unterschiedlich gestaltet werden. Beispielsweise kann eine Durchführung des Stempels in den Druckausgleichsraum zugleich als Führung ausgebildet sein. Alternativ oder auch in Kombination hierzu sind einfache oder mehrfache Führungen innerhalb und außerhalb der flüssigen Phase des Metalls möglich. Die Führung kann insbesondere als schwimmende Lagerung mit Federelementen ausgebildet sein. Dies verhindert, dass der Stempel sich insbesondere bei Temperaturänderungen verkantet und schließlich bricht.The leadership, i. the sliding storage, the stamp can be designed differently. For example, a passage of the stamp in the pressure equalization chamber can also be designed as a guide. Alternatively or in combination, single or multiple guides inside and outside the liquid phase of the metal are possible. The guide can be designed in particular as a floating bearing with spring elements. This prevents the stamp from tilting and finally breaking, especially with temperature changes.

Vorteilhaft läuft das in die flüssige Phase des Metalls führbare Ende des Stempels kegelförmig zu mit einem Öffnungswinkel zwischen 90 und 180 Grad. Ein Öffnungswinkel in diesem Bereich ist besonders geeignet, um eine Druckwelle in der flüssigen Phase des Metalls anzuregen.Advantageously, the end of the punch, which can be guided into the liquid phase of the metal, runs conically with an opening angle between 90 and 180 degrees. An opening angle in this range is particularly suitable for exciting a pressure wave in the liquid phase of the metal.

Idealerweise weist der Stempel insbesondere gute Benetzungseigenschaften gegenüber der flüssigen Phase des Metalls auf. Eine hohe Härte ist wünschenswert, um Verschleiß im Führungsbereich gering zu halten. Eine geringe Wärmeleitfähigkeit ist ebenfalls wünschenswert, da der Stempel sowohl in Kontakt mit der flüssigen Phase des Metalls als auch mit seiner Antriebsquelle steht und viele in Antriebsquellen verwendeten Aktoren temperaturempfindlich sind. Insoweit der Stempel im Betrieb des Druckkopfes auf Zug beansprucht wird, ist weiterhin eine entsprechende Zugbelastbarkeit wünschenswert. Schließlich sollte das Material des Stempels thermisch gegen Temperaturen von mindestens 100 K über dem Schmelzpunkt des Metalls beständig sein, und es sollte chemisch gegen die flüssige Phase des Metalls beständig sein.Ideally, the stamp has, in particular, good wetting properties with respect to the liquid phase of the metal. High hardness is desirable to minimize wear in the guide area. Low thermal conductivity is also desirable because the stamp is in contact with both the liquid phase of the metal and its drive source and many actuators used in drive sources are temperature sensitive. As far as the stamp is claimed during operation of the print head to train, a corresponding tensile load is still desirable. Finally, the material of the stamp should be thermally resistant to temperatures of at least 100 K above the melting point of the metal, and should be chemically resistant to the liquid phase of the metal.

All diese Anforderungen können beispielsweise in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfüllt werden, in der mindestens der in die flüssige Phase des Metalls führbare Teil des Stempels aus einer Keramik, und/oder aus einem Edelstahl besteht.All these requirements can be met, for example, in a particularly advantageous embodiment of the invention, in which at least the feasible in the liquid phase of the metal part of the punch consists of a ceramic, and / or of a stainless steel.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Zuführung für die feste Phase des Metalls in das Reservoir vorgesehen. Diese Zuführung kann insbesondere in den Druckausgleichsraum erfolgen. Es ist dann nicht erforderlich, diese Zuführung gegen die flüssige Phase des Metalls abzudichten. Die Zuführung muss nicht Teil des Druckkopfes sein, sondern kann auch an anderer Stelle im 3D-Drucker mit dem Druckkopf angeordnet sein.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, a supply for the solid phase of the metal is provided in the reservoir. This supply can be done in particular in the pressure equalization chamber. It is then not necessary to seal this feed against the liquid phase of the metal. The feeder need not be part of the printhead, but may be located elsewhere in the 3D printer with the printhead.

Der Druckausgleichsraum bewirkt in diesem Zusammenhang vorteilhaft, dass die Zuführung der festen Phase des Metalls nicht ungewollt zu einem Austritt von Tropfen der flüssigen Phase des Metalls aus der Austrittsöffnung führen kann. Da der Innendurchmesser des Reservoirs typischerweise deutlich größer ist als die Fläche, auf der die feste Phase des Metalls eine Kraft auf die flüssige Phase des Metalls ausübt, wird zum einen durch die Zuführung der festen Phase des Metalls nur ein geringer Druck ausgeübt. Zum anderen sind derartige Druckänderungen vergleichsweise langsam und werden in den Druckausgleichsraum entspannt, bevor sie sich auf das in der Nähe der Austrittsöffnung befindliche flüssige Metall auswirken. The pressure equalization chamber in this context advantageously that the supply of the solid phase of the metal can not unintentionally lead to leakage of drops of the liquid phase of the metal from the outlet opening. Since the internal diameter of the reservoir is typically significantly larger than the area on which the solid phase of the metal exerts a force on the liquid phase of the metal, only a small pressure is exerted by the supply of the solid phase of the metal. On the other hand, such changes in pressure are comparatively slow and are released into the pressure compensation chamber before they affect the liquid metal located in the vicinity of the outlet opening.

Die Zuführung kann insbesondere eine Vorschubvorrichtung für eine drahtförmige, bandförmige oder stangenförmige feste Phase des Metalls sein. Es kann dann insbesondere ein kontinuierlicher Nachschub der festen Phase des Metalls erfolgen. Dabei verringert die Entkopplung des Tropfenaustrags vom Füllstand des Reservoirs vorteilhaft die Anforderungen an die Genauigkeit der Koordination zwischen der Austragsrate der flüssigen Phase des Metalls aus der Austrittsöffnung und der Nachschubrate der festen Phase des Metalls.In particular, the feeder can be a feed device for a wire-shaped, band-shaped or rod-shaped solid phase of the metal. In particular, a continuous replenishment of the solid phase of the metal can take place. The decoupling of the droplet discharge from the level of the reservoir advantageously reduces the requirements for the accuracy of the coordination between the discharge rate of the liquid phase of the metal from the outlet opening and the replenishment rate of the solid phase of the metal.

Die Austragrate aus der Austrittsöffnung wird durch die Strukturen des herzustellenden Objekts bestimmt; der Druckkopf liefert jeweis „on-demand“ Tropfen, wenn diese an der aktuellen Relativposition zwischen Druckkopf und herzustellendem Objekt gerade benötigt werden. Daher ist die Austragrate ständig variabel. Insbesondere kann es vorkommen, dass der Druckkopf vom druckenden in den nicht druckenden Zustand umgeschaltet werden muss, während eine neue Relativposition angefahren wird. Die Nachschubrate des festen Materials ist der Austragrate prinzipiell nachzuführen. Dies ist nur mit einer gewissen Geschwindigkeit möglich, zumal das feste Metall anschließend noch aufgeschmolzen werden muss.The discharge rate from the outlet opening is determined by the structures of the object to be produced; the printhead delivers "on-demand" drops when needed at the current relative position between the printhead and the object to be produced. Therefore, the discharge rate is constantly variable. In particular, it may happen that the print head must be switched from the printing to the non-printing state while a new relative position is approached. The replenishment rate of the solid material is to track the discharge rate in principle. This is only possible with a certain speed, especially since the solid metal then still has to be melted.

Da die Kraftausübung beim Nachschub der festen Phase des Metalls auf Grund des Druckentlastungsraums keine Tropfen der flüssigen Phase des Metalls aus der Austrittsöffnung austrägt und zugleich der Füllstand des Reservoirs in weiten Grenzen (beispielsweise 1-5 mm) schwanken kann, ohne dass sich der Schweredruck der flüssigen Phase des Metalls signifikant ändert, ist der Druckkopf somit besonders tolerant im Hinblick auf die Nachschubrate. Die Vorschubvorrichtung kann somit einfach, robust und kostengünstig gestaltet sein. Beispielsweise kann eine Drahtvorschubplatte verwendet werden, die über eine Zwei-Punkt-Messung des Füllstands in gewissen Zeitabständen ein- bzw. ausgeschaltet wird. Eine aufwendige und kostenintensive Kraft-Weg-Regelung ist somit nicht erforderlich.Since the application of force when replenishing the solid phase of the metal due to the pressure relief space discharges no drops of the liquid phase of the metal from the outlet and at the same time the level of the reservoir within wide limits (for example 1-5 mm) can fluctuate without the gravity pressure of the liquid phase of the metal changes significantly, the printhead is thus particularly tolerant in terms of replenishment rate. The feed device can thus be simple, robust and cost-effective. For example, a wire feed plate can be used, which is switched on and off via a two-point measurement of the filling level at certain time intervals. A complex and costly force-displacement control is therefore not required.

Die vergrößerte Toleranz im Hinblick auf die Nachschubrate ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Tropfen der flüssigen Phase des Metalls durch eine mit dem Stempel in die flüssige Phase des Metalls eingekoppelte Druckwelle ausgetragen werden. Die Austragsrate kann dann nicht mehr über das vom Stempel verdrängte Volumen abgeschätzt werden, sondern hängt insbesondere von der Periodendauer und vom Hubverlauf der Bewegung des Stempels ab.The increased tolerance with regard to the replenishment rate is particularly advantageous if the droplets of the liquid phase of the metal are discharged through a pressure wave coupled into the liquid phase of the metal with the stamp. The discharge rate can then no longer be estimated via the volume displaced by the ram, but depends in particular on the period duration and on the stroke progression of the movement of the ram.

Auch kann ein Draht aus dem Metall beispielsweise über einen Bowdenzug zugeführt werden. Dies verringert das Gewicht des Druckkopfes, da die Drahtvorschubplatte an einem ortsfesten Gestell des 3D-Druckers angebracht werden kann. Je leichter der bewegte Druckkopf selbst ist, desto schneller kann er im Betrieb des 3D-Druckers bewegt werden und desto weniger Kraft ist für den diesbezüglichen Antrieb erforderlich.Also, a wire can be supplied from the metal, for example via a Bowden cable. This reduces the weight of the printhead because the wire feed plate can be attached to a fixed frame of the 3D printer. The lighter the moving printhead itself is, the faster it can be moved in the operation of the 3D printer and the less power is required for the relevant drive.

Vorteilhaft ist ein elektromagnetischer Aktor, und/oder ein Piezoaktor, als Antriebsquelle für die Bewegung des Stempels vorgesehen. Insbesondere ein Piezoaktor kann schnell große Kräfte erzeugen und beispielsweise verwendet werden, um eine hochfrequente resonante Schwingung in die flüssige Phase des Metalls einzukoppeln, die sich zum Austrag eines Tropfens aufschaukelt. In den Versuchen der Erfinder wurden Piezoaktoren aus Dieselinjektoren verwendet.Advantageously, an electromagnetic actuator, and / or a piezoelectric actuator, provided as a drive source for the movement of the punch. In particular, a piezoactuator can quickly generate large forces and be used, for example, to couple a high-frequency resonant oscillation into the liquid phase of the metal, which rises to discharge a drop. In the experiments of the inventors piezo actuators were used from diesel injectors.

Vorteilhaft ist mindestens ein Federelement zur Vorspannung des Stempels, und/oder zur Beaufschlagung des Stempels mit einer Rückstellkraft, vorgesehen. Dies erleichtert es insbesondere, den Stempel in einer in die flüssige Phase des Metalls hinein gerichteten Richtung mit einer anderen Geschwindigkeit zu bewegen als in der entgegengesetzten Richtung. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, den Stempel zum Austrag eines Tropfens schnell vorzuschieben, aber vergleichsweise langsam zurückzuziehen, damit sich die flüssige Phase des Metalls in dem Reservoir setzen und einen Zutritt von Umgebungsluft durch die Austrittsöffnung verhindern kann. Wird der Stempel zu schnell zurückgezogen, könnte durch den entstehenden Unterdruck Luft in das Reservoir eingesaugt werden und den weiteren Druckprozess behindern.Advantageously, at least one spring element for biasing the punch, and / or for acting on the punch with a restoring force provided. This in particular makes it easier to move the stamp in a direction directed into the liquid phase of the metal at a different speed than in the opposite direction. For example, it may be advantageous to advance the die quickly to discharge a drop, but retreat comparatively slowly so that the liquid phase of the metal can settle in the reservoir and prevent ingress of ambient air through the exit aperture. If the plunger retracted too quickly, could be sucked into the reservoir by the resulting negative pressure air and impede the further printing process.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kühlung für den Bereich des Aktors vorgesehen. Hierfür kann insbesondere eine Kühlmanschette vorgesehen sein, der innerhalb des Druckkopfes noch weitere Funktionen zugewiesen sein können. Beispielsweise kann die Kühlmanschette eine Abstützung für den Aktor und eventuelle Federelemente bilden und Durchführungen in das Reservoir, insbesondere in den Druckentlastungsraum, enthalten. Eine solche Funktionsintegration ist insbesondere der Miniaturisierung des Druckkopfes förderlich. Hierfür sind additive Herstellungsverfahren, wie beispielsweise selektives Lasersintern, besonders geeignet.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, cooling is provided for the area of the actuator. For this purpose, in particular a cooling sleeve can be provided, which can be assigned within the print head even more functions. For example, the cooling sleeve can form a support for the actuator and any spring elements and feedthroughs in the reservoir, in particular in the pressure relief space included. Such a functional integration is in particular the miniaturization of the Printhead conducive. For this purpose, additive manufacturing methods, such as selective laser sintering, are particularly suitable.

Die flüssige Phase des Metalls kann dem Druckkopf aus einer externen geheizten Quelle zugeführt werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch zusätzlich eine Heizung für das Reservoir vorgesehen, wobei zwischen dem Reservoir und der Kühlung ein thermischer Isolator vorgesehen ist. Dieser Isolator hat vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 1 W/m/K, bevorzugt von weniger als 0,2 W/m/K. Die Heizung kann beispielsweise als Heizflansch ausgebildet sein, der zugleich das Reservoir bildet.The liquid phase of the metal may be supplied to the printhead from an external heated source. However, a heater for the reservoir is particularly advantageously provided in addition, wherein a thermal insulator is provided between the reservoir and the cooling. This insulator preferably has a thermal conductivity of less than 1 W / m / K, preferably less than 0.2 W / m / K. The heater may for example be designed as a heating flange, which also forms the reservoir.

Die Heizung kann beispielsweise resistiv oder induktiv erfolgen. Alternativ kann beispielsweise auch eine Gasflamme verwendet werden, was jedoch die Zuführung einer weiteren Energieart erforderlich macht. Die Heizung sollte in ihrer Leistung so dimensioniert sein, dass in der Nähe der Austrittsöffnung eine Temperatur von mindestens 100 K oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls erreichbar ist. Beispielsweise sollte für Aluminium mit einem Schmelzpunkt von 650 °C eine Temperatur von mindestens 750 °C erreichbar sein.The heating can be done for example resistive or inductive. Alternatively, for example, a gas flame can be used, which, however, makes it necessary to supply a further type of energy. The heating should be dimensioned in terms of its performance so that in the vicinity of the outlet opening a temperature of at least 100 K above the melting temperature of the metal can be achieved. For example, for aluminum with a melting point of 650 ° C, a temperature of at least 750 ° C should be achievable.

Wird das Reservoir geheizt, so besteht es vorteilhaft aus einem Material mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise mehr als 10 W/m/K, bevorzugt mehr als 40 W/m/K. Mindestens der mit der flüssigen Phase des Metalls in Kontakt kommende Teil des Reservoirs besitzt vorteilhaft weiterhin einen Kontaktwinkel von mehr als 90 ° zur flüssigen Phase des Metalls, so dass das Material schlecht von dem flüssigen Metall benetzt wird. Die Schmelze bleibt dann nicht im Reservoir haften, und der Druckkopf ist einfach zu reinigen. Ein Material, das die genannten Anforderungen erfüllt, ist beispielsweise Keramik.If the reservoir is heated, it advantageously consists of a material with increased thermal conductivity of, for example, more than 10 W / m / K, preferably more than 40 W / m / K. At least the part of the reservoir which comes into contact with the liquid phase of the metal advantageously also has a contact angle of more than 90 ° to the liquid phase of the metal, so that the material is poorly wetted by the liquid metal. The melt then does not adhere to the reservoir and the printhead is easy to clean. A material that meets the requirements mentioned, for example, ceramics.

Die Austrittsöffnung, die beispielsweise als Düse ausgebildet sein kann, ist ein Verschleißteil. Vorteilhaft ist sie daher nicht fest in das Reservoir bzw. in den Heizflansch integriert, sondern über eine lösbare Verbindung, wie beispielsweise eine Schraubverbindung, hiermit verbunden. Besonders wichtig ist die Materialauswahl. Um einen sauberen Tropfenabriss zu generieren, ist ein Kontaktwinkel zwischen der Düse und der flüssigen Phase des Metalls von über 130 ° vorteilhaft. Beispielsweise haben Graphit und Bornitrid mit flüssigem Aluminium einen Kontaktwinkel in diesem Bereich. Die Düse ist also vorteilhaft zumindest mit einem Material, das den gewünschten Kontaktwinkel zum flüssigen Metall aufweist, innenbeschichtet.The outlet opening, which may be formed for example as a nozzle, is a wearing part. Advantageously, it is therefore not firmly integrated into the reservoir or in the Heizflansch, but via a detachable connection, such as a screw, connected thereto. Especially important is the material selection. To generate a clean drop break, a contact angle between the nozzle and the liquid phase of the metal of over 130 ° is advantageous. For example, graphite and boron nitride have a contact angle in this range with liquid aluminum. The nozzle is thus advantageous, at least with a material having the desired contact angle to the liquid metal, internally coated.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Druckausgleichsraum eine Zuführung für ein Inertgas auf. Ein Inertgas schützt zum einen die flüssige Phase des Metalls vor Oxidation. Zum anderen kann das Inertgas auch verwendet werden, um in dem Reservoir einen konstanten oder nur vergleichweise langsam veränderlichen Basisdruck p einzustellen. Dieser Basisdruck p kann dann durch die Bewegung des Stempels moduliert werden, insbesondere in Form einer Druckwelle, die Tropfen der flüssigen Phase des Metalls aus der Austrittsöffnung treibt.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the pressure compensation chamber has a supply for an inert gas. On the one hand, an inert gas protects the liquid phase of the metal from oxidation. On the other hand, the inert gas can also be used to set a constant or only comparatively slowly variable base pressure p in the reservoir. This base pressure p can then be modulated by the movement of the stamp, in particular in the form of a pressure wave, which drives droplets of the liquid phase of the metal out of the outlet opening.

Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes gemäß der Erfindung. Bei diesem Verfahren wird der Stempel mit einer ersten Geschwindigkeit in Richtung in die flüssige Phase des Metalls hinein bewegt, wobei die erste Geschwindigkeit so bemessen ist, dass eine Druckwelle in die flüssige Phase des Metalls eingekoppelt wird und die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregt. Der Stempel wird mit einer zweiten Geschwindigkeit in der entgegengesetzten Richtung bewegt, wobei die zweite Geschwindigkeit niedriger ist als die erste Geschwindigkeit und so bemessen ist, dass die Setzung der flüssigen Phase des Metalls in dem Reservoir den Zutritt von Umgebungsluft durch die Austrittsöffnung verhindert.From the above, the invention also relates to a method of operating a printhead according to the invention. In this method, the punch is moved at a first rate in the direction of the liquid phase of the metal, wherein the first velocity is such that a pressure wave is coupled into the liquid phase of the metal and the liquid phase of the metal to pass through the Outlet opening stimulates. The plunger is moved at a second speed in the opposite direction, the second speed being lower than the first speed and dimensioned such that the settling of the liquid phase of the metal in the reservoir prevents the ingress of ambient air through the exit port.

Dabei kann insbesondere vorteilhaft der Stempel zwischen der Bewegung in Richtung in die flüssige Phase des Metalls und der Bewegung in der entgegengesetzten Richtung in einer Haltephase in Ruhe gehalten werden.In this case, in particular advantageous, the stamp between the movement in the direction of the liquid phase of the metal and the movement in the opposite direction in a holding phase can be kept at rest.

Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung weiterhin auch auf ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes gemäß der Erfindung. Bei diesem Verfahren wird durch die Zuführung des Inertgases ein Basisdruck p in der flüssigen Phase des Metalls erzeugt wird, wobei durch die Bewegung des Stempels dem Basisdruck p eine Druckwelle überlagert, die die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregt.In view of the above, the invention also relates to another method of operating a printhead according to the invention. In this method, a base pressure p is generated in the liquid phase of the metal by the supply of the inert gas, wherein superimposed by the movement of the punch the base pressure p a pressure wave, which excites the liquid phase of the metal to pass through the outlet opening.

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 Prinzipskizze eines Druckkopfes 1 gemäß der Erfindung;
  • 2 Ausführungsbeispiel eines Druckkopfes 1 mit axialer Anordnung des Stempels 5;
  • 3 Ausführungsbeispiel eines Druckkopfes 1 mit radialer Anordnung des Stempels 5.
It shows:
  • 1 Schematic diagram of a printhead 1 according to the invention;
  • 2 Embodiment of a print head 1 with an axial arrangement of the punch 5;
  • 3 Embodiment of a print head 1 with a radial arrangement of the stamp. 5

Nach 1 umfasst der Druckkopf 1 ein Reservoir 2 für die flüssige Phase 3b des Metalls 3. Das Reservoir 2 ist unterteilt in einen Schmelzeraum 2b, der mit der flüssigen Phase 3b des Metalls 3 gefüllt ist, und einen darüber liegenden Druckausgleichsraum 2a. Der Druckausgleichsraum 2a weist eine Zuführung 12 für ein Inertgas auf, welches im Druckausgleichsraum 2a einen Druck p erzeugt. To 1 includes the printhead 1 a reservoir 2 for the liquid phase 3b of the metal 3 , The reservoir 2 is divided into a melting chamber 2 B that with the liquid phase 3b of the metal 3 is filled, and an overlying pressure compensation chamber 2a. The pressure compensation room 2a has a feeder 12 for an inert gas, which in the pressure equalization room 2a generates a pressure p.

Der Stempel 5 ist durch den Druckausgleichsraum 2a in die flüssige Phase 3b des Metalls 3 geführt. Durch Bewegung des Stempels 5 mittels eines Piezoaktors 6 kann eine Druckwelle 13 in die flüssige Phase 3b des Metalls 3 eingekoppelt werden. Die Druckwelle 13 ist eine schnelle Druckänderung, die Tropfen 3c der flüssigen Phase 3b des Metalls 3 aus der Austrittsöffnung 4 im Reservoir 2 treibt. Diese Tropfen 3c lagern sich am herzustellenden Objekt 101 auf dem Substrat 100 an. Der Stempel 5 hat ein Ende 5a und einen Bereich 5b, die in die flüssige Phase 3b des Metalls eintauchbar sind.The Stamp 5 is through the pressure compensation room 2a into the liquid phase 3b of the metal 3 guided. By moving the stamp 5 by means of a piezoelectric actuator 6 can be a pressure wave 13 into the liquid phase 3b of the metal 3 be coupled. The pressure wave 13 is a quick pressure change, the drops 3c the liquid phase 3b of the metal 3 from the outlet 4 in the reservoir 2 drives. These drops 3c store on the object to be produced 101 on the substrate 100 at. The Stamp 5 has an end 5a and an area 5b which are immersed in the liquid phase 3b of the metal.

Das Metall 3 wird dem Druckkopf 1 über eine Zuführung 7 in der drahtförmigen festen Phase 3a zugeführt. Die feste Phase 3a ist durch den Druckausgleichsraum 2a in die flüssige Phase 3b geführt und wird dort aufgeschmolzen. Um die Temperatur im Schmelzeraum 2b über der Schmelztemperatur des Metalls 3 zu halten, ist der Schmelzeraum 2b mit einer Heizung 10 versehen.The metal 3 gets the printhead 1 via a feeder 7 in the wire-shaped solid phase 3a fed. The solid phase 3a is through the pressure compensation chamber 2a in the liquid phase 3b led and is melted there. To the temperature in the melting chamber 2 B above the melting temperature of the metal 3 to hold, is the melting space 2 B provided with a heater 10.

2a zeigt ein Ausführungsbeispiel des Druckkopfes 1, bei dem der Stempel 5 axial durch den Druckausgleichsraum 2a in die flüssige Phase 3b des Metalls 3 im Schmelzeraum 2b geführt ist. Das Reservoir 2 umfasst eine Vorratszone 2c, die als Sacklochbohrung mit größerem Durchmesser in einen Basisblock 2e ausgeführt ist, sowie eine konzentrisch hierzu angeordnete Endzone 2d, die als durchgehende zylindrische Bohrung in den Basisblock 2e ausgeführt ist. Die Austrittsöffnung 4 wird begrenzt durch eine Düse 4a aus Graphit, die über einen Halter 14 mit dem Basisblock 2e verbunden ist. 2a shows an embodiment of the printhead 1 in which the stamp 5 axially through the pressure compensation chamber 2a into the liquid phase 3b of the metal 3 in the melting room 2 B is guided. The reservoir 2 includes a supply zone 2c acting as a blind hole of larger diameter in a base block 2e is executed, and a concentrically arranged end zone 2d acting as a continuous cylindrical bore in the base block 2e is executed. The outlet opening 4 is limited by a nozzle 4a made of graphite, which has a holder 14 with the base block 2e connected is.

Der Basisblock 2e ist über zwei Heizpatronen 10 heizbar, so dass die Temperatur im Reservoir 2 über der Schmelztemperatur des Metalls 3 gehalten werden kann. Der Stempel 5 ist über ein Zwischenstück 6a und eine Spannschraube 6b an den Piezoaktor 6 gekoppelt und durch dessen Anregung in die flüssige Phase 3b des Metalls 3 hinein bewegbar. Zusätzlich ist ein aus einem Tellerfederpaket 8a und einer zugehörigen Einstellschraube 8b bestehendes Federelement 8 vorgesehen, das eine Rückstellkraft auf den Stempel 5 ausübt. Ist der Piezoaktor 6 nicht angeregt, zieht diese Rückstellkraft den Stempel 5 nach oben.The basic block 2e is about two heating cartridges 10 heatable, so the temperature in the reservoir 2 above the melting temperature of the metal 3 can be held. The Stamp 5 is about an intermediate piece 6a and a clamping screw 6b to the piezoelectric actuator 6 coupled and by its excitation in the liquid phase 3b of the metal 3 movable into it. In addition, one is from a plate spring package 8a and an associated adjusting screw 8b existing spring element 8th provided that exerts a restoring force on the punch 5. Is the piezo actuator 6 not excited, pulls this restoring force the stamp 5 up.

Da der Piezoaktor 6 wärmeempfindlich ist, ist er von einer Kühlmanschette 9 umgeben, in der ein Kühlmittel in einer Spiralbohrung geführt ist. Die Kühlmanschette 9 ist vom geheizten Basisblock 2e durch einen Isolator 11 isoliert, durch den auch die drahtförmige feste Phase 3a des Metalls 3 sowie die Zuführung 12 für ein Inertgas in den Druckausgleichsraum 2a geführt sind. Der Druckkopf 1 insgesamt ist in einem Halteflansch 15 eingefasst.Because the piezoelectric actuator 6 is sensitive to heat, it is from a cooling cuff 9 surrounded, in which a coolant is guided in a spiral bore. The cooling sleeve 9 is from the heated base block 2e through an insulator 11 isolated, through which also the wire-shaped solid phase 3a of the metal 3 and the supply 12 for an inert gas in the pressure compensation chamber 2a are guided. The printhead 1 in total is in a retaining flange 15 edged.

2b zeigt eine Variante dieses Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zu 2a ist der Basisblock 2e hier von einer als Heizflansch ausgebildeten Heizung 10 umgeben. Weiterhin sind die Kühlmanschette 9, der Isolator 11 sowie der Basisblock 2e über Schrauben 16 miteinander verschraubt. Die feste Phase 3a des Metalls 3 ist in 2b aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet. 2 B shows a variant of this embodiment. In contrast to 2a is the basic block 2e surrounded here by a trained as Heizflansch heater 10. Furthermore, the cooling sleeve 9 , the insulator 11 as well as the basic block 2e about screws 16 screwed together. The solid phase 3a of the metal 3 is in 2 B not shown for reasons of clarity.

3a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Druckkopfes 1. Im Unterschied zu 2 ist hier der Stempel 5 radial in die flüssige Phase 3b des Metalls 3 geführt, und zwar in der Endzone 2d des Reservoirs 2. Dementsprechend ist die Durchführung des Stempels 5 durch den Basisblock 2e dichtend gegen die flüssige Phase 3b des Metalls 3. Der Aktor 6, der über das Zwischenstück 6a und die Spannschraube 6b an den Stempel 5 gekoppelt ist, ist in einer Hülse 6c untergebracht, die über den Isolator 11 vom Basisblock 2e wärmeisoliert ist. Die Hülse 6c hat einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Hohlraum 9a, der von einer Dichtung 9b verschlossen ist und zusammen mit dieser die Kühlung 9 für den Piezoaktor 6 bildet. 3a shows a further embodiment of the printhead 1 , In contrast to 2 here is the stamp 5 radially in the liquid phase 3b of the metal 3, in the end zone 2d of the reservoir 2 , Accordingly, the implementation of the stamp 5 through the base block 2e sealing against the liquid phase 3b of the metal 3 , The actor 6 , via the spacer 6a and the clamping screw 6b to the stamp 5 is coupled, is in a sleeve 6c housed over the insulator 11 from the basic block 2e is thermally insulated. The sleeve 6c has a cavity 9a through which a coolant can flow, which is a gasket 9b is closed and together with this the cooling 9 for the piezoelectric actuator 6 forms.

Die Heizung 10 umfasst einen Heizflansch 10a, der zugleich den Basisblock 2e bildet, sowie eine Induktionsheizung 10b, die beide nur auf die Vorratszone 2c des Reservoirs 2 wirken. Die Induktionsheizung 10b ist mit einer Abschirmung 2c versehen. Die Temperatur in der Endzone 2d des Reservoirs 2 wird über einen Temperatursensor 17 überwacht.The heating system 10 includes a heating flange 10a , the same time the basic block 2e forms, as well as an induction heating 10b , both only on the supply zone 2c of the reservoir 2 Act. The induction heating 10b is with a shield 2c Mistake. The temperature in the end zone 2d of the reservoir 2 is monitored via a temperature sensor 17.

Die feste Phase 3a des Metalls 3 wird axial von oben durch den Druckausgleichsraum 2a des Reservoirs 2 zugeführt. Damit diese feste Phase 3a nicht frühzeitig aufschmilzt und die Zuführung eventuell verstopft, ist sie über eine Kühlmanschette 9c gekühlt, welche über einen Isolator 11a vom geheizten Basisblock 2e wärmeisoliert ist. Die Kühlmanschette 9c ist mit Schrauben 16 sowie einem Tellerfederpaket 8c mit Unterlegscheiben mit dem Basisblock 2e verbunden. Der Druckkopf 1 als Ganzes ist wiederum in den Halteflansch 15 eingefasst.The solid phase 3a of the metal 3 is axially from above through the pressure compensation chamber 2a of the reservoir 2 fed. So this solid phase 3a does not melt early and the supply may be clogged, it is over a cooling sleeve 9c cooled, which has an insulator 11a is thermally insulated from the heated base block 2e. The cooling cuff 9c is with screws 16 and a plate spring package 8c with washers with the base block 2e connected. The printhead 1 as a whole, turn in the retaining flange 15 edged.

3b verdeutlicht, wie optional zusätzlich der Füllstand der flüssigen Phase 3b des Metalls 3 im Reservoir 2 überwacht werden kann. Durch die Kühlmanschette 9c, den Isolator 11a und den als Basisblock 2e fungierenden Heizflansch 10a sind zwei Drähte 18 für die Füllstandsmessung in das Reservoir 2 geführt. Die Durchführung der Drähte 18 durch den Heizflansch 10a ist jeweils mit Keramik-Halsperlen 18a abgedichtet. 3b clarifies how optional additionally the level of the liquid phase 3b of the metal 3 in the reservoir 2 can be monitored. Through the cooling sleeve 9c, the insulator 11a and the as the basic block 2e functioning heating flange 10a are two wires 18 for level measurement in the reservoir 2 guided. The passage of the wires 18 through the heating flange 10a is each with ceramic neck beads 18a sealed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Han-song Zuo, He-jun Li, Le-jua Qi, Jun Luo, Song-yi Zhong, Hai-peng Li, „Effect on wetting behavior on generation of uniform aluminum droplets obtained by pneumatic drop-on-demand technique“,Journal of Materials Processing Technology 214, 2566-2575 (2014) [0004]Han-song Zuo, He-jun Li, Le-juaqi, Jun Luo, Song-yi Zhong, Hai-peng Li, "Effect on wetting behavior on the basis of pneumatic drop-on-demand technique", Journal of Materials Processing Technology 214, 2566-2575 (2014) [0004]

Claims (17)

Druckkopf (1) für einen 3D-Drucker, umfassend ein Reservoir (2) für ein Metall (3), wobei das Reservoir (2) eine Austrittsöffnung (4) für den Ausstoß von Tropfen (3c) einer flüssigen Phase (3b) des Metalls (3) aufweist, wobei ein verschiebbar gelagerter Stempel (5) zur unmittelbaren Kraftausübung auf die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) vorgesehen ist, so dass die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung (4) anregbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (2) auf der der Austrittsöffnung (4) abgewandten Seite des für die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) vorgesehenen Schmelzeraumes (2b) einen Druckausgleichsraum (2a) enthält, in den die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) sich auszudehnen vermag.A printhead (1) for a 3D printer, comprising a reservoir (2) for a metal (3), the reservoir (2) having an outlet opening (4) for ejecting drops (3c) of a liquid phase (3b) of the metal (3), wherein a displaceably mounted punch (5) for direct application of force to the liquid phase (3b) of the metal (3) is provided so that the liquid phase (3b) of the metal (3) for passage through the outlet opening ( 4) is excitable, characterized in that the reservoir (2) on the side facing away from the outlet opening (4) of the for the liquid phase (3b) of the metal (3) provided Schmelzeraumes (2b) includes a pressure compensation chamber (2a) in the the liquid phase (3b) of the metal (3) is able to expand. Druckkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (5) durch den Druckausgleichsraum (2a) in das Reservoir (2) geführt ist.Printhead (1) to Claim 1 , characterized in that the punch (5) through the pressure equalization chamber (2a) in the reservoir (2) is guided. Druckkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) führbare Ende (5a) des Stempels (5) kegelförmig zuläuft mit einem Öffnungswinkel zwischen 90 und 180 Grad.Printhead (1) after one of Claims 1 to 2 , characterized in that in the liquid phase (3b) of the metal (3) feasible end (5a) of the punch (5) tapers conically with an opening angle between 90 and 180 degrees. Druckkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der in die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) führbare Teil (5b) des Stempels (5) aus einer Keramik, und/oder aus einem Edelstahl, besteht.Printhead (1) after one of Claims 1 to 3 , characterized in that at least in the liquid phase (3b) of the metal (3) feasible part (5b) of the punch (5) consists of a ceramic, and / or of a stainless steel. Druckkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (2) eine Vorratszone (2c) umfasst, die den Druckausgleichsraum (2a) beinhaltet und/oder an den Druckausgleichsraum (2a) angrenzt, wobei die Vorratszone (2c) sich an einem der Austrittsöffnung (4) zugewandten Ende zu einer Endzone (2d) verjüngt.Printhead (1) after one of Claims 1 to 4 , characterized in that the reservoir (2) comprises a storage zone (2c), which includes the pressure compensation chamber (2a) and / or adjacent to the pressure compensation chamber (2a), wherein the storage zone (2c) facing one of the outlet opening (4) End rejuvenated to an end zone (2d). Druckkopf (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Endzone (2d) konzentrisch zur Vorratszone (2c) angeordnet ist und einen geringeren Durchmesser aufweist als die Vorratszone (2c).Printhead (1) to Claim 5 , characterized in that the end zone (2d) is arranged concentrically to the storage zone (2c) and has a smaller diameter than the storage zone (2c). Druckkopf nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (5) in die Endzone (2c) bewegbar und/oder unter Freihaltung von Strömungsquerschnitten von der Innenwand der Endzone (2c) führbar ist.Printhead after one of the Claims 5 to 6 , characterized in that the punch (5) in the end zone (2c) movable and / or while maintaining flow cross-sections of the inner wall of the end zone (2c) is feasible. Druckkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 3D-Drucker mit einem Druckkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung (7) für die feste Phase (3a) des Metalls (3) in das Reservoir (2) vorgesehen ist.Printhead (1) after one of Claims 1 to 7 or 3D printer with a print head (1) according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that a supply (7) for the solid phase (3a) of the metal (3) is provided in the reservoir (2). Druckkopf (1) oder 3D-Drucker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (7) eine Vorschubvorrichtung für eine drahtförmige, bandförmige oder stangenförmige feste Phase (3a) des Metalls (3) ist.Print head (1) or 3D printer after Claim 8 , characterized in that the feed (7) is a feed device for a wire-shaped, band-shaped or rod-shaped solid phase (3a) of the metal (3). Druckkopf (1) oder 3D-Drucker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektromagnetischer Aktor, und/oder ein Piezoaktor, als Antriebsquelle (6) für die Bewegung des Stempels (5) vorgesehen ist.Print head (1) or 3D printer according to one of Claims 1 to 9 , characterized in that an electromagnetic actuator, and / or a piezoelectric actuator, as a drive source (6) for the movement of the punch (5) is provided. Druckkopf (1) oder 3D-Drucker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Federelement (8) zur Vorspannung des Stempels (5), und/oder zur Beaufschlagung des Stempels (5) mit einer Rückstellkraft, vorgesehen ist.Print head (1) or 3D printer after Claim 10 , characterized in that at least one spring element (8) for biasing the punch (5), and / or for acting on the punch (5) is provided with a restoring force. Druckkopf (1) oder 3D-Drucker nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlung (9) für den Bereich des Aktors (6) vorgesehen ist.Print head (1) or 3D printer according to one of Claims 10 to 11 , characterized in that a cooling (9) for the region of the actuator (6) is provided. Druckkopf (1) oder 3D-Drucker nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Heizung (10) für das Reservoir (2) vorgesehen ist, wobei zwischen dem Reservoir (2) und der Kühlung (9) ein thermischer Isolator (11) vorgesehen ist.Print head (1) or 3D printer after Claim 12 , characterized in that in addition a heater (10) for the reservoir (2) is provided, wherein between the reservoir (2) and the cooling (9), a thermal insulator (11) is provided. Druckkopf (1) oder 3D-Drucker nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleichsraum (2a) eine Zuführung (12) für ein Inertgas aufweist.Print head (1) or 3D printer according to one of Claims 1 to 13 , characterized in that the pressure compensation chamber (2a) has a feed (12) for an inert gas. Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes (1) oder 3D-Druckers nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (5) mit einer ersten Geschwindigkeit in Richtung in die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) hinein bewegt wird, wobei die erste Geschwindigkeit so bemessen ist, dass eine Druckwelle (13) in die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) eingekoppelt wird und die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung (4) anregt, und dass der Stempel (5) mit einer zweiten Geschwindigkeit in der entgegengesetzten Richtung bewegt wird, wobei die zweite Geschwindigkeit niedriger ist als die erste Geschwindigkeit und so bemessen ist, dass die Setzung der flüssigen Phase (3b) des Metalls (3) in dem Reservoir (2) den Zutritt von Umgebungsluft durch die Austrittsöffnung (4) verhindert.Method for operating a printhead (1) or 3D printer according to one of Claims 1 to 14 , characterized in that the punch (5) is moved at a first speed in the direction of the liquid phase (3b) of the metal (3), wherein the first velocity is such that a pressure wave (13) into the liquid phase (3b) of the metal (3) is coupled and the liquid phase (3b) of the metal (3) to pass through the outlet opening (4) is excited, and that the punch (5) is moved at a second speed in the opposite direction, the second velocity being lower than the first velocity and dimensioned such that the settling of the liquid phase (3b) of the metal (3) in the reservoir (2) prevents the ingress of ambient air through the exit orifice (4). Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (5) zwischen der Bewegung in Richtung in die flüssige Phase (3b) des Metalls (3) und der Bewegung in der entgegengesetzten Richtung in einer Haltephase in Ruhe gehalten wird.Method according to Claim 15 characterized in that the plunger (5) is kept at rest between the movement in the direction of the liquid phase (3b) of the metal (3) and the movement in the opposite direction in a holding phase. Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfes (1) oder 3D-Druckers nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Zuführung (12) des Inertgases ein Basisdruck p in der flüssigen Phase (3b) des Metalls (3) erzeugt wird, wobei durch die Bewegung des Stempels (5) dem Basisdruck p eine Druckwelle (13) überlagert wird, die die flüssige Phase (3b) des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung (4) anregt. Method for operating a printhead (1) or 3D printer Claim 14 , characterized in that by the supply (12) of the inert gas, a base pressure p in the liquid phase (3b) of the metal (3) is generated, being superimposed by the movement of the punch (5) the base pressure p, a pressure wave (13) which excites the liquid phase (3b) of the metal to pass through the outlet opening (4).
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