DE102018216932A1 - Device for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece from a liquid material - Google Patents

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Viktor Friedrich
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff, umfassend einen hin- und herbeweglichen Kolben (1) mit einem ersten Endabschnitt (1.1) zur Verbindung mit einer Feder (2), über deren Federkraft der Kolben (1) in Richtung eines Aktors (3), vorzugsweise eines Piezoaktors, vorspannbar oder vorgespannt ist, und einem zweiten Endabschnitt (1.2), der eine in einen Kompressionsraum (4) eintauchende Kolbenspitze ausbildet. Erfindungsgemäß ist der Kolben (1) einteilig ausgeführt und vollständig aus einem keramischen Werkstoff gefertigt.The invention relates to a device for the generative production of a three-dimensional workpiece from a liquid, in particular liquefied, material, comprising a reciprocating piston (1) with a first end section (1.1) for connection to a spring (2), via the spring force of which Piston (1) is biased or biased in the direction of an actuator (3), preferably a piezo actuator, and a second end section (1.2) which forms a plunger tip immersed in a compression space (4). According to the invention, the piston (1) is made in one piece and made entirely of a ceramic material.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a device for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece from a liquid, in particular liquefied, material according to the preamble of claim 1.

Ein Verfahren zur generativen Fertigung dreidimensionaler Werkstücke ist das 3D-Drucken. Vorliegend wird daher insbesondere eine Vorrichtung zum 3D-Drucken bzw. ein Druckkopf für eine solche Vorrichtung vorgeschlagen. Mit Hilfe der Vorrichtung kann ein flüssiger, insbesondere verflüssigter Werkstoff in Form einzelner Tropfen ausgetragen und auf einem Werkstückträger schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut werden.3D printing is a process for the generative production of three-dimensional workpieces. In the present case, a device for 3D printing or a print head for such a device is therefore proposed in particular. With the aid of the device, a liquid, in particular liquefied, material can be discharged in the form of individual drops and built up in layers on a workpiece carrier to form a three-dimensional workpiece.

Stand der TechnikState of the art

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2016 224 047 A1 geht beispielhaft ein 3D-Drucker, insbesondere ein Metalldrucker, mit einem Druckkopf hervor, der ein Gehäuse, eine Vorrichtung zur Zuführung eines Metalls, einen Kolben, ein Reservoir mit einer Austrittsöffnung und eine Aktorvorrichtung zur Verschiebung des Kolbens umfasst. Das Reservoir weist einen Schmelzbereich und einen Verdrängerraum für eine flüssige Phase des Metalls auf. Der Schmelzbereich ist derart mit dem Verdrängerraum verbunden, dass durch die Verschiebung des Kolbens die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung angeregt wird. Um den unterschiedlichen Temperaturzonen im Druckkopf und den jeweiligen funktionellen Anforderungen zu entsprechen, ist der Kolben bevorzugt mehrteilig ausgebildet. Der Kolben umfasst dabei zumindest eine Kolbenstange aus einem metallischen Werkstoff und einen Stempel aus Keramik. Über die Kolbenstange werden die Hubbewegungen der Aktorvorrichtung auf den Stempel übertragen, so dass dieser tiefer in den Verdrängerraum eintaucht und einen Überdruck erzeugt, der die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregt.From the published application DE 10 2016 224 047 A1 is a 3D printer, in particular a metal printer, with a print head, which comprises a housing, a device for supplying a metal, a piston, a reservoir with an outlet opening and an actuator device for displacing the piston. The reservoir has a melting range and a displacement space for a liquid phase of the metal. The melting area is connected to the displacement space in such a way that the displacement of the piston stimulates the liquid phase of the metal to pass through the outlet opening. In order to correspond to the different temperature zones in the print head and the respective functional requirements, the piston is preferably designed in several parts. The piston comprises at least one piston rod made of a metallic material and a stamp made of ceramic. The stroke movements of the actuator device are transmitted to the plunger via the piston rod, so that the plunger dips deeper into the displacement space and generates an overpressure which stimulates the liquid phase of the metal to pass through the outlet opening.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, zur Realisierung hoher Tropfenfrequenzen die Dynamik des hin- und herbeweglichen Kolbens zu verbessern. Zudem soll der Kolben möglichst einfach und kostengünstig herstellbar sein.Starting from the prior art mentioned above, the present invention is based on the object of improving the dynamics of the reciprocating piston in order to achieve high drop frequencies. In addition, the piston should be as simple and inexpensive to manufacture as possible.

Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.To achieve the object, the device with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the subclaims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorgeschlagene Vorrichtung, die der generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff dient, umfasst einen hin- und herbeweglichen Kolben mit einem ersten Endabschnitt zur Verbindung mit einer Feder, über deren Federkraft der Kolben in Richtung eines Aktors, vorzugsweise eines Piezoaktors, vorspannbar oder vorgespannt ist, und mit einem zweiten Endabschnitt, der eine in einen Kompressionsraum eintauchende Kolbenspitze ausbildet. Erfindungsgemäß ist der Kolben einteilig ausgeführt und vollständig aus einem keramischen Werkstoff gefertigt.The proposed device, which is used for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece from a liquid, in particular liquefied, material, comprises a reciprocating piston with a first end section for connection to a spring, via the spring force of which the piston moves in the direction of an actuator, preferably one Piezo actuator, is biased or biased, and with a second end portion which forms a plunger tip immersed in a compression space. According to the invention, the piston is made in one piece and made entirely of a ceramic material.

Durch die einteilige Ausführung können der Montageaufwand reduziert und die Qualitätssicherung erhöht werden. Ferner erhöht sich durch die einteilige Ausführung die Steifigkeit des Kolbens, was sich positiv auf die Kraftübertragung auswirkt. Da der Kolben nur noch aus einem Werkstoff ausgebildet ist, kann dieser leichter konstruktiv ausgelegt werden. Denn die bei Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe bekannten Nachteile, wie beispielsweise unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, die zu unterschiedlichen Längenänderungen führen können, entfallen.Due to the one-piece design, the assembly effort can be reduced and quality assurance increased. Furthermore, the one-piece design increases the rigidity of the piston, which has a positive effect on the power transmission. Since the piston is only made of one material, it can be more easily designed. This is because the disadvantages known when using different materials, such as, for example, different coefficients of thermal expansion, which can lead to different changes in length, are eliminated.

Aufgrund der höheren Steifigkeit des einteilig ausgeführten Kolbens kann die Masse des Kolbens reduziert werden. Damit steigt die Dynamik der Kolbenbewegung, so dass höhere Tropfenfrequenzen und höhere Tropfengeschwindigkeiten erzielbar sind. Diese können dazu eingesetzt werden, besonders kleine Tropfen zu erzeugen, so dass die Auflösung des dreidimensionalen Werkstücks verbessert wird.Due to the higher rigidity of the one-piece piston, the mass of the piston can be reduced. This increases the dynamics of the piston movement, so that higher drop frequencies and higher drop speeds can be achieved. These can be used to generate particularly small drops, so that the resolution of the three-dimensional workpiece is improved.

Eine reduzierte Masse des Kolbens bewirkt zudem ein kürzeres Nachschwingen des flüssigen Werkstoffs. Das heißt, dass Schwingungen, die auf den eigentlichen Druckpuls folgen und im Hinblick auf eine hohe Tropfenfrequenz unerwünscht sind, schneller abklingen. Dies ist wichtig, um von Tropfenausstoß zu Tropfenausstoß jeweils gleiche Ausgangsbedingungen herzustellen. Im Idealfall haben sich daher die Schwingungen im flüssigen Werkstoff vollständig abgebaut, bevor der Kolben den nächsten Druckstoß erzeugt.A reduced mass of the piston also causes the liquid material to oscillate for a shorter time. This means that vibrations that follow the actual pressure pulse and are undesirable with a view to a high drop frequency drop off faster. This is important in order to establish the same starting conditions from drop output to drop output. Ideally, therefore, the vibrations in the liquid material have completely reduced before the piston generates the next pressure surge.

Des Weiteren vermag ein Kolben mit reduzierter Masse besser den Eingangsparametern am Aktor zu folgen. Das heißt, dass die Parameter zur Ansteuerung des Aktors optimiert ausgelegt bzw. parametriert werden können. Über eine geeignete Auswahl der Werkstoffe kann zudem zusätzlich die Steifigkeit der Verbindung zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal erhöht werden, so dass die Aktorkraft zur Erzeugung eines Druckpulses im flüssigen Werkstoff noch direkter übertragen wird.Furthermore, a piston with a reduced mass can better follow the input parameters on the actuator. This means that the parameters for controlling the actuator can be optimized or parameterized. The stiffness of the connection between the input signal and the output signal can also be increased by a suitable selection of the materials, so that the Actuator force for generating a pressure pulse in the liquid material is transmitted even more directly.

Durch die Wahl eines keramischen Werkstoffs zur Ausbildung des Kolbens kann die Temperaturbeständigkeit sowie die chemische Resistenz des Kolbens erhöht werden, was besonders dann von Vorteil ist, wenn der flüssige Werkstoff beispielsweise eine sehr heiße Metallschmelze ist.By choosing a ceramic material to form the piston, the temperature resistance and the chemical resistance of the piston can be increased, which is particularly advantageous if the liquid material is, for example, a very hot molten metal.

Der Kolben wird vorzugsweise mit Hilfe eines Piezoaktors bewegt. Mit Hilfe des Piezoaktors können hohe Kräfte und sehr dynamische Kolbenbewegungen erzeugt werden. Beispielsweise können Beschleunigungen des Kolbens über 2000 g erreicht werden. Das heißt, dass bereits kleine Kolbenbewegungen bzw. - hübe ausreichen, um Druckwellen bzw. Druckstöße im flüssigen Werkstoff zu erzeugen, mit deren Hilfe der flüssige Werkstoff tropfenförmig ausgetragen werden kann.The piston is preferably moved with the aid of a piezo actuator. With the help of the piezo actuator, high forces and very dynamic piston movements can be generated. For example, accelerations of the piston above 2000 g can be achieved. This means that even small piston movements or strokes are sufficient to generate pressure waves or pressure surges in the liquid material, with the aid of which the liquid material can be discharged in drops.

Kleine Kolbenbewegungen bzw. -hübe weisen den Vorteil auf, dass hohe Tropfenfrequenzen von über 500 Hz, beispielsweise von 1000 Hz möglich sind. Kleine Hübe erfordern zudem geringe Ladungsmengen am Piezoelement, so dass eine weniger leistungsstarke Leistungselektronik eingesetzt werden kann, was sich im Hinblick auf eine hohe Tropfenfrequenz ebenfalls als Vorteil erweist.Small piston movements or strokes have the advantage that high drop frequencies of over 500 Hz, for example of 1000 Hz, are possible. Small strokes also require small amounts of charge on the piezo element, so that less powerful power electronics can be used, which also proves to be an advantage with regard to a high drop frequency.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Kolben im Bereich des ersten Endabschnitts eine Umfangsnut auf, in die ein ring- oder scheibenförmiges Kraftübertragungselement eingreift. Das heißt, dass ein Formschluss zwischen dem Kraftübertragungselement und dem Kolben erreicht wird, der die Steifigkeit der Verbindung in axialer Richtung erhöht. Das Kraftübertragungselement kann insbesondere zur Verbindung des Kolbens mit einem Federteller oder Spiralfeder eingesetzt werden, an dem die Feder zur Vorspannung des Kolbens in Richtung des Aktors axial abgestützt ist.According to a preferred embodiment of the invention, in the region of the first end section, the piston has a circumferential groove, in which an annular or disk-shaped force transmission element engages. This means that a positive connection between the force transmission element and the piston is achieved, which increases the rigidity of the connection in the axial direction. The force transmission element can in particular be used to connect the piston to a spring plate or spiral spring, on which the spring is axially supported in the direction of the actuator for pretensioning the piston.

Um die Montage des Kraftübertragungselements zu erleichtern, wird vorgeschlagen, dass dieses geschlitzt ist. Das heißt, dass das Kraftübertragungselement analog einem Sprengring als ein offener Ring oder als eine offene Scheibe ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Kraftübertragungselement einen Innendurchmesser besitzt, der kleiner als ein in Richtung des Aktors an die Umfangsnut angrenzender Außendurchmesser D1 des Kolbens ist. Dadurch ist sichergestellt, dass das Kraftübertragungselement in die Umfangsnut eingreift bzw. den Kolbenabschnitt mit dem Außendurchmesser D1 hintergreift, um den zur Optimierung der Kraftübertragung gewünschten Formschluss herzustellen.In order to facilitate the assembly of the power transmission element, it is proposed that it be slotted. This means that the force transmission element is designed like an snap ring as an open ring or as an open disk. As an alternative or in addition, it is proposed that the force transmission element have an inner diameter which is smaller than an outer diameter adjacent to the circumferential groove in the direction of the actuator D 1 of the piston. This ensures that the force transmission element engages in the circumferential groove or the piston section with the outer diameter D 1 engages behind in order to produce the positive locking required to optimize power transmission.

Des Weiteren bevorzugt ist der Kolben im Bereich des ersten Endabschnitts von einem Federteller umgeben. Über den Federteller kann die Feder zum Vorspannen des Kolbens in Richtung des Aktors mit dem Kolben verbunden werden. Der Federteller ist hierzu bevorzugt in Richtung des Aktors am ring- oder scheibenförmigen Kraftübertragungselement axial abgestützt. Das heißt, dass axiale Abstützung über eine Stirnfläche des Federtellers erfolgt, die dem Aktor zugewandt ist.Furthermore, the piston is preferably surrounded by a spring plate in the region of the first end section. The spring for biasing the piston in the direction of the actuator can be connected to the piston via the spring plate. For this purpose, the spring plate is preferably axially supported in the direction of the actuator on the annular or disk-shaped force transmission element. This means that axial support takes place via an end face of the spring plate, which faces the actuator.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Kolben eine gestufte Innenkontur und/oder Stirnfläche zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme des ring- oder scheibenförmigen Kraftübertragungselements aufweist. Über die gestufte Innenkontur kann zugleich eine Abstützung in radialer Richtung erreicht werden.In a development of the invention, it is proposed that the piston have a stepped inner contour and / or end face for receiving the annular or disk-shaped force transmission element at least in sections. At the same time, a support in the radial direction can be achieved via the stepped inner contour.

Die Feder zur Vorspannung des Kolbens in Richtung des Aktors ist vorzugsweise als Tellerfeder oder als Tellerfederpaket oder als Spiralfeder ausgeführt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Vorspannkraft der Feder möglichst nur in axialer Richtung wirkt und der Kolben gleichmäßig belastet wird.The spring for biasing the piston in the direction of the actuator is preferably designed as a plate spring or as a plate spring assembly or as a spiral spring. In this way it is ensured that the biasing force of the spring acts only in the axial direction if possible and the piston is evenly loaded.

Bevorzugt weist der Kolben einen an den ersten Endabschnitt anschließenden Führungsabschnitt auf. Über den Führungsabschnitt ist der Kolben zentriert und optimal auf den Aktor ausgerichtet. Vorzugsweise besitzt der Führungsabschnitt einen Außendurchmesser D3 , der dem Außendurchmesser D1 entspricht, so dass der Kolben fertigungsgerechter konstruiert ist.The piston preferably has a guide section adjoining the first end section. The piston is centered over the guide section and optimally aligned with the actuator. The guide section preferably has an outer diameter D 3 which is the outside diameter D 1 corresponds, so that the piston is designed for production.

Des Weiteren bevorzugt weist der Kolben einen an den zweiten Endabschnitt anschließenden Verbindungsabschnitt auf, der einen Außendurchmesser D4 besitzt, der kleiner als ein Außendurchmesser D2 des zweiten Endabschnitts ist. Der kleinere Außendurchmesser D4 trägt zur Reduzierung der Masse des Kolbens und damit zur Steigerung der Dynamik der Kolbenbewegung bei. Darüber hinaus wird die Wärmeleitung reduziert.Furthermore, the piston preferably has a connecting section which adjoins the second end section and which has an outer diameter D 4 has that smaller than an outer diameter D 2 of the second end section. The smaller outside diameter D 4 contributes to reducing the mass of the piston and thus increasing the dynamics of the piston movement. In addition, the heat conduction is reduced.

Ferner wird vorgeschlagen, dass der zweite Endabschnitt des Kolbens endseitig kegel- oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Der zweite Endabschnitt bildet somit eine strömungsoptimierte Kolbenspitze aus, mit welcher der Kolben in den Kompressionsraum eintaucht und Gasblasen aus dem Kompressionsraum führt.Furthermore, it is proposed that the second end section of the piston be designed at the end in the shape of a cone or a truncated cone. The second end section thus forms a flow-optimized piston tip with which the piston plunges into the compression space and leads gas bubbles out of the compression space.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Kolben zumindest abschnittsweise in einem Gehäuse aufgenommen ist, das ein Reservoir für den flüssigen Werkstoff ausbildet. Über einen Spalt zwischen dem Kolben und dem Gehäuse oder einer mit dem Gehäuse verbundenen Kolbenführung kann somit flüssiger Werkstoff aus dem Reservoir in den Kompressionsraum nachströmen, so dass dieser stets mit dem flüssigen Werkstoff befüllt ist.In addition, it is proposed that the piston be accommodated, at least in sections, in a housing which forms a reservoir for the liquid material. Liquid material can thus flow from the reservoir into the chamber via a gap between the piston and the housing or a piston guide connected to the housing Flow through the compression chamber so that it is always filled with the liquid material.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

  • 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Kolben einer für eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
  • 2 eine perspektivische Darstellung des Kolbens der 1,
  • 3 einen vergrößerten Ausschnitt der 1,
  • 4a einen schematischen Längsschnitt durch einen zweiten Kolben für eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit einem scheibenförmigen Kraftübertragungselement und einem Federteller,
  • 4b eine schematische Draufsicht auf das scheibenförmige Kraftübertragungselement der 4a,
  • 5 einen schematischen Längsschnitt durch einen dritten Kolben für eine erfindungsgemäße Vorrichtung und
  • 6 eine schematische Schnittansicht durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Preferred embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. These show:
  • 1 2 shows a schematic longitudinal section through a piston for a device according to the invention,
  • 2nd a perspective view of the piston of the 1 ,
  • 3rd an enlarged section of the 1 ,
  • 4a 2 shows a schematic longitudinal section through a second piston for a device according to the invention in connection with a disk-shaped force transmission element and a spring plate,
  • 4b is a schematic plan view of the disk-shaped power transmission element of the 4a ,
  • 5 a schematic longitudinal section through a third piston for a device according to the invention and
  • 6 is a schematic sectional view through a preferred embodiment of the device according to the invention.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Den 1 und 2 ist ein Kolben 1 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen Werkstoff zu entnehmen. Bei der Vorrichtung kann es sich insbesondere um einen 3D-Drucker oder einen Druckkopf für einen solchen 3D-Drucker handeln. Ein derartiger Druckkopf ist beispielhaft in der 6 dargestellt.The 1 and 2nd is a piston 1 for a device according to the invention for the additive manufacturing of a three-dimensional workpiece from a liquid material. The device can in particular be a 3D printer or a print head for such a 3D printer. Such a print head is exemplary in the 6 shown.

Der Kolben 1 des in der 6 dargestellten Druckkopfs ist in einem Gehäuse 10 hin- und herbeweglich aufgenommen. Ein erster Endabschnitt 1.1 des Kolbens 1 ist mit einem Aktor 3, vorliegend mit einem Piezoaktor, wirkverbunden. Ein zweiter Endabschnitt 1.2 des Kolbens 1 bildet eine in einen Kompressionsraum 4 eintauchende Kolbenspitze aus. Der Kompressionsraum 4 ist über einen radialen Spalt 12 zwischen dem Kolben 1 und einer Kolbenführung 13 mit einem flüssigen Werkstoff, beispielsweise mit einer Metallschmelze, befüllbar, die in einem im Gehäuse 10 ausgebildeten Reservoir 11 vorgehalten wird. Das Reservoir 11 wiederum ist über einen Füllstutzen 15 mit dem flüssigen Werkstoff befüllbar.The piston 1 the in the 6 printhead shown is in a housing 10th taken back and forth. A first end section 1.1 of the piston 1 is with an actuator 3rd , in the present case with a piezo actuator, operatively connected. A second end section 1.2 of the piston 1 forms one in a compression space 4th immersed plunger tip. The compression room 4th is over a radial gap 12th between the piston 1 and a piston guide 13 can be filled with a liquid material, for example with a molten metal, in a in the housing 10th trained reservoir 11 is held up. The reservoir 11 in turn is over a filler neck 15 can be filled with the liquid material.

An die Kolbenführung 13 ist ein plattenförmiger Düsenkörper 16 mit einer zentralen Düsenbohrung 17 angesetzt, über welche der flüssige Werkstoff in Form einzelner Tropfen 14 austragbar ist. Zum Austragen eines Tropfens 14 wird im Kompressionsraum 4 über den Hub des Kolbens 1 ein Druckpuls erzeugt, der zu einem Tropfenausstoß führt. Der Hub des Kolbens 1 wird mit Hilfe des Aktors 3 bewirkt. Wird der Aktor 3 bestromt, längt er sich und bewegt dabei den Kolben 1 in Richtung der Düsenbohrung 17.To the piston guide 13 is a plate-shaped nozzle body 16 with a central nozzle bore 17th the liquid material in the form of individual drops 14 is portable. For dispensing a drop 14 is in the compression room 4th over the stroke of the piston 1 generates a pressure pulse that leads to a drop ejection. The stroke of the piston 1 is with the help of the actuator 3rd causes. Becomes the actuator 3rd energized, it lengthens and moves the piston 1 towards the nozzle bore 17th .

Um den Hub bzw. die Kraft des Aktors 3 optimal auf den Kolben 1 zu übertragen, ist dieser erfindungsgemäß einteilig und aus einem Werkstoff, und zwar aus einem keramischen Werkstoff ausgeführt (siehe 1 und 2). Der keramische Werkstoff ist insbesondere für hohe Temperaturen geeignet, so dass er in Kontakt mit der Metallschmelze keinen Schaden nimmt.The stroke or the force of the actuator 3rd optimal on the piston 1 According to the invention, this is to be made in one piece and from one material, namely from a ceramic material (see 1 and 2nd ). The ceramic material is particularly suitable for high temperatures, so that it does not get damaged in contact with the molten metal.

Die Rückstellung des Kolbens 1 nach einer Längung des Aktors 3 wird idealerweise mittels der Federkraft FF einer Feder 2 bewirkt, die vorliegend durch ein Tellerfederpaket ausgebildet wird (siehe 1 und 3). Die Federkraft FF der Feder 2 ist dabei der Kraft FA des Aktors 3 entgegengesetzt (siehe 3), so dass der Kolben 1 über die Feder 2 in Richtung des Aktors 3 vorgespannt ist.The return of the piston 1 after elongation of the actuator 3rd is ideally by means of the spring force F F a feather 2nd causes, which in the present case is formed by a plate spring assembly (see 1 and 3rd ). The spring force F F the feather 2nd is the force F A of the actuator 3rd opposite (see 3rd ) so the piston 1 over the spring 2nd towards the actuator 3rd is biased.

Die Feder 2 bzw. die einzelnen Tellerfedern des Tellerfederpakts umgeben den Kolben 1 im Bereich des ersten Endabschnitts 1.1. Kolbenseitig ist das Tellerfederpakte über einen Federteller 7 abgestützt, der über ein ringförmiges Kraftübertragungselement 6, das in eine Umfangsnut 5 des Kolbens 1 eingreift, mit dem Kolben 1 verbunden ist (siehe 3). Andernends ist das Tellerfederpaket an einem Gehäuseteil 18 abgestützt.The feather 2nd or the individual disc springs of the disc spring assembly surround the piston 1 in the area of the first end section 1.1 . The disc spring package is on the piston side via a spring plate 7 supported by an annular power transmission element 6 that in a circumferential groove 5 of the piston 1 engages with the piston 1 is connected (see 3rd ). On the other hand, the plate spring assembly is on one housing part 18th supported.

Wird die Bestromung des Aktors 3 beendet, zieht sich dieser zusammen, wobei der Kolben 1 der Bewegung des Aktors 3 folgt, da er über die Feder 2 in Richtung des Aktors 3 vorgespannt ist. Dabei zieht sich der der zweite Endabschnitt 1.2 des Kolbens 1 aus dem Kompressionsraum 4 zurück, so dass flüssiger Werkstoff aus dem Reservoir 11 in den Kompressionsraum 4 nachströmt.Will energize the actuator 3rd ends, this contracts, whereby the piston 1 the movement of the actuator 3rd follows as it is over the spring 2nd towards the actuator 3rd is biased. The second end section is drawn 1.2 of the piston 1 from the compression room 4th back so that liquid material from the reservoir 11 in the compression room 4th flows.

Wie beispielhaft in den 4a und 4b dargestellt, kann das Kraftübertragungselement 6 auch scheibenförmig ausgeführt sein. Bevorzugt ist das Kraftübertragungselement 6 geschlitzt ausgeführt, um die Montage am Kolben 1 zu erleichtern. Sofern das scheibenförmige Kraftübertragungselement durch mehr als nur einen Schlitz in mehrere Teile unterteilt ist (siehe 4b), können diese durch den Federteller 7 oder eine Scheibe zusammengehalten werden. Der Federteller 7 kann hierzu eine Innenkontur 8 und/oder eine Stirnfläche 9 aufweisen, die gestuft ausgeführt ist bzw. sind, so dass der Federteller 7 das Kraftübertragungselement 6 umgreift (siehe 4a).As exemplary in the 4a and 4b shown, the power transmission element 6 also be disc-shaped. The power transmission element is preferred 6 slotted design for mounting on the piston 1 to facilitate. If the disk-shaped power transmission element is divided into several parts by more than just one slot (see 4b) , you can use the spring plate 7 or holding a disc together. The spring plate 7 can do this with an inner contour 8th and / or an end face 9 have, which is or are staged, so that the spring plate 7 the power transmission element 6 embraces (see 4a) .

Der 5 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung eines Kolbens 1 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zu entnehmen. Der Kolben 1 weist in dieser Ausgestaltung neben den Endabschnitten 1.1 und 1.2 mit den Außendurchmessern D1 und D2 einen Führungsabschnitt 1.3 mit einem Außendurchmesser D3 und einen Verbindungsabschnitt 1.4 mit einem Außendurchmesser D4 auf. Dort, wo der Kolben 1 einer erhöhten Belastung ausgesetzt ist, beispielsweise im Krafteinleitungsbereich und im Führungsbereich, ist der Außendurchmesser größer gewählt, um die Robustheit des Kolbens 1 zu steigern. Dies trifft auf die Außendurchmesser D1 und D3 zu. In den übrigen Bereichen kann der Kolben 1 kleinere Außendurchmesser aufweisen, um die Masse des Kolbens 1 zu minimieren. Dies trifft insbesondere auf den Außendurchmesser D4 zu. Der Außendurchmesser D2 liegt vorzugsweise dazwischen. Der Kolben 1 kann somit mit der Kolbenspitze voran montiert werden. Of the 5 is another preferred embodiment of a piston 1 for a device according to the invention. The piston 1 points in this embodiment in addition to the end sections 1.1 and 1.2 with the outside diameters D 1 and D 2 a guide section 1.3 with an outer diameter D 3 and a connecting section 1.4 with an outer diameter D 4 on. Where the piston 1 is exposed to an increased load, for example in the force introduction area and in the guide area, the outer diameter is chosen larger in order to make the piston more robust 1 to increase. This affects the outside diameter D 1 and D 3 to. In the other areas, the piston 1 have smaller outer diameters to the mass of the piston 1 to minimize. This applies in particular to the outside diameter D 4 to. The outside diameter D 2 is preferably in between. The piston 1 can be mounted with the piston tip first.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102016224047 A1 [0003]DE 102016224047 A1 [0003]

Claims (9)

Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff, umfassend einen hin- und herbeweglichen Kolben (1) mit einem ersten Endabschnitt (1.1) zur Verbindung mit einer Feder (2), über deren Federkraft der Kolben (1) in Richtung eines Aktors (3), vorzugsweise eines Piezoaktors, vorspannbar oder vorgespannt ist, und einem zweiten Endabschnitt (1.2), der eine in einen Kompressionsraum (4) eintauchende Kolbenspitze ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) einteilig ausgeführt und vollständig aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist.Device for the generative production of a three-dimensional workpiece from a liquid, in particular liquefied, material, comprising a reciprocating piston (1) with a first end section (1.1) for connection to a spring (2), via the spring force of which the piston (1) in the direction of an actuator (3), preferably a piezo actuator, can be pretensioned or pretensioned, and a second end section (1.2) which forms a plunger tip immersed in a compression space (4), characterized in that the plunger (1) is made in one piece and is complete is made of a ceramic material. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) im Bereich des ersten Endabschnitts (1.1) eine Umfangsnut (5) aufweist, in die ein ring- oder scheibenförmiges Kraftübertragungselement (6) eingreift, das vorzugsweise geschlitzt ist und/oder einen Innendurchmesser besitzt, der kleiner als ein in Richtung des Aktors (3) an die Umfangsnut (5) angrenzender Außendurchmesser (D1) des Kolbens (1) ist.Device after Claim 1 , characterized in that the piston (1) in the region of the first end section (1.1) has a circumferential groove (5) into which an annular or disk-shaped force transmission element (6) engages, which is preferably slotted and / or has an inner diameter which is smaller than an outer diameter (D 1 ) of the piston (1) adjacent to the circumferential groove (5) in the direction of the actuator (3). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) im Bereich des ersten Endabschnitts (1.1) von einem Federteller (7) umgeben ist, der vorzugsweise in Richtung des Aktors (3) am ring- oder scheibenförmigen Kraftübertragungselement (6) axial abgestützt ist.Device after Claim 1 or 2nd , characterized in that the piston (1) is surrounded in the region of the first end section (1.1) by a spring plate (7), which is preferably axially supported in the direction of the actuator (3) on the annular or disk-shaped force transmission element (6). Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Federteller (7) eine gestufte Innenkontur (8) und/oder Stirnfläche (9) zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme des ring- oder scheibenförmigen Kraftübertragungselements (6) aufweist.Device after Claim 3 , characterized in that the spring plate (7) has a stepped inner contour (8) and / or end face (9) for receiving the annular or disk-shaped force transmission element (6) at least in sections. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (2) als Tellerfeder oder als Tellerfederpaket ausgeführt ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the spring (2) is designed as a plate spring or as a plate spring assembly. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) einen an den ersten Endabschnitt (1.1) anschließenden Führungsabschnitt (1.3) aufweist, der vorzugsweise einen Außendurchmesser (D3) besitzt, der dem Außendurchmesser (D1) entspricht.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the piston (1) has a guide section (1.3) adjoining the first end section (1.1), which preferably has an outer diameter (D 3 ) which corresponds to the outer diameter (D 1 ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) einen an den zweiten Endabschnitt (1.2) anschließenden Verbindungsabschnitt (1.4) aufweist, der einen Außendurchmesser (D4) besitzt, der kleiner als ein Außendurchmesser (D2) des zweiten Endabschnitts (1.2) ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the piston (1) has a connecting section (1.4) which adjoins the second end section (1.2) and has an outside diameter (D 4 ) which is smaller than an outside diameter (D 2 ) of the second end section (1.2). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Endabschnitt (1.2) endseitig kegel- oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second end section (1.2) is conical or frustoconical at the end. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) zumindest abschnittsweise in einem Gehäuse (10) aufgenommen ist, das ein Reservoir (11) für den flüssigen Werkstoff ausbildet.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the piston (1) is accommodated at least in sections in a housing (10) which forms a reservoir (11) for the liquid material.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023274590A1 (en) * 2021-06-28 2023-01-05 Grob-Werke Gmbh & Co. Kg Print head and method for additively manufacturing a component by means of molten metal

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