DE102018221735A1 - Print head for 3D printing of metals, device for additive manufacturing of three-dimensional workpieces, comprising a print head and method for operating a device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf (1) zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken, umfassend ein Gehäuse (3), eine Vorrichtung (28) zur Zuführung eines Metalls (14), einen Kolben (5), ein Reservoir (7, 27) mit einer Austrittsöffnung (10) und eine Aktorvorrichtung (12) zur Verschiebung des Kolbens (5), wobei das Reservoir (7, 27) einen Schmelzbereich (20) und einen Verdrängerraum (21) für eine flüssige Phase (8) des Metalls (14) aufweist, wobei der Schmelzbereich (20) an einer inerten Atmosphäre (22) angrenzt und mit dem Verdrängerraum (21) derart verbunden ist, dass durch die Verschiebung des Kolbens (5) die flüssige Phase (8) des Metalls (14) zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung (10) anregbar ist, wobei die Austrittsöffnung (10) an einem Einsatz (11) des Druckkopfes (1) angeordnet ist, wobei der Einsatz (11) zumindest eine Düsenplatte (44) mit der Austrittsöffnung (10), eine Führungshülse (43) zur Führung des Kolbens (5) und eine Düsenspannmutter (42) zur Befestigung der Düsenplatte (44) an der Führungshülse (43) aufweist. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass der Druckkopf (1) eine Vorrichtung (50) zur Zuführung eines Schutzgases (60) zur Austrittsöffnung (10) des Druckkopfs (1) aufweist.Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (100) zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken und ein Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfs (1).The invention relates to a print head (1) for the additive manufacturing of three-dimensional workpieces, comprising a housing (3), a device (28) for feeding a metal (14), a piston (5), and a reservoir (7, 27) with a Outlet opening (10) and an actuator device (12) for displacing the piston (5), the reservoir (7, 27) having a melting area (20) and a displacement space (21) for a liquid phase (8) of the metal (14) , wherein the melting area (20) adjoins an inert atmosphere (22) and is connected to the displacer (21) in such a way that the liquid phase (8) of the metal (14) is passed through by the displacement of the piston (5) Exit opening (10) can be excited, the exit opening (10) being arranged on an insert (11) of the print head (1), the insert (11) comprising at least one nozzle plate (44) with the exit opening (10), a guide sleeve (43 ) for guiding the piston (5) and a nozzle clamping nut (42) for fastening Adjustment of the nozzle plate (44) on the guide sleeve (43). It is characterized in that the print head (1) has a device (50) for supplying a protective gas (60) to the outlet opening (10) of the print head (1). The invention also relates to a device (100) for the additive manufacturing of three-dimensional Workpieces and a method for operating a print head (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, der zum Drucken von Metallen geeignet ist, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken, umfassend einen Druckkopf, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.The invention relates to a print head for a 3D printer which is suitable for printing metals, a device for the additive manufacturing of three-dimensional workpieces, comprising a print head, and a method for operating the device.

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 receives a solid phase of this material as a starting material, generates a liquid phase therefrom and applies this liquid phase selectively to the locations that belong to the object to be produced. Such a 3D printer comprises a print head into which the starting material is melted. Means are also provided for generating a relative movement between the print head and the work surface on which the object is to be created. 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 operating state in which liquid material exits and a second operating state in which no liquid material exits. The second operating state is assumed, for example, when a different position on the work surface is approached and no material is to be deposited on the way there. It is possible, for example, to switch between the two operating states of the printhead by switching the advance of the solid starting material on or off.

Gegenüber thermoplastischen Kunststoffen haben Metalle einen wesentlich höheren Schmelzpunkt und zugleich im flüssigen Zustand eine wesentlich geringere Viskosität.Compared to thermoplastics, metals have a much higher melting point and at the same time a much lower viscosity in the liquid state.

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 über ein Magnetventil erzeugten Druckpuls beaufschlagt.
Nachteilig an dieser Lösung ist die Tropfenbildung durch einen Druckimpuls auf das Gas, da die Kompressibilität des Gases nur bedingt eine hohe Taktfrequenz der Ansteuerung zulässt, wodurch die Aufbaurate eines Werkstücks für einen industriellen Einsatz nicht akzeptabel ist.Pneumatic drop-on-demand technology is a research approach to solving the task of adding liquid metal to the object only at defined points. This technique is described, for example, 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)). The metallic starting material is melted in a reservoir, which has an open nozzle at its lower end, by induction heating. In order to drive a drop of liquid metal out of this nozzle, a pressure pulse generated by a solenoid valve is applied to the reservoir by supplying an inert gas.
The disadvantage of this solution is the drop formation due to a pressure pulse on the gas, since the compressibility of the gas only permits a high clock frequency of the control to a limited extent, as a result of which the build-up rate of a workpiece is not acceptable for industrial use.

In den meisten bekannten Anwendungen wird eine Inertatmosphäre in einer abgeschlossenen Baukammer des Druckers erzeugt. Die Baukammer wird dabei über Einlässe mit Hilfe eines Überdrucks mit Inertgas gefüllt. Dabei ist die Kammer in der Regel derart abgedichtet, dass ein geringer Übergang als Leckagestelle an die Umgebungsatmosphäre besteht. Durch den permanent anliegenden Überdruck während des Druckvorgangs findet innerhalb der Baukammer ein Volumenaustausch mit der Umgebung statt.In most known applications, an inert atmosphere is created in a closed construction chamber of the printer. The building chamber is filled with inert gas via inlets with the help of overpressure. The chamber is usually sealed in such a way that there is little transition to the ambient atmosphere as a leak. Due to the permanent overpressure during the printing process, a volume exchange with the surroundings takes place within the building chamber.

Um 3D Strukturen mit hoher Wiederholgenauigkeit aufbauen zu können, muss die Umgebung des Tropfens außerhalb des Druckkopfes inertisiert sein. Dies sowohl beim Austreten aus dem Druckkopf, als auch auf der Strecke zum Substrat. Falls um den abgestoßenen Tropfen keine Inertatmosphäre vorliegt, kommt es in der Regel zur Oxidbildung an dem Düsenaustritt und zu Oxideinschlüssen im zu bildenden 3D-Werkstück. Die Baukammer muss hierzu gegenüber der Umgebungsatmosphäre (Luft) abgedichtet werden. Je nach Größe eines zu druckenden Werkstückes, ist die Baukammergröße auszulegen und diese mit Inertgas zu füllen. Nachteilig ist der hohe Verbrauch von hochqualitativen Inertgas zur Erreichung der gewünschten DruckqualitätIn order to be able to build 3D structures with high repeatability, the area surrounding the drop outside the print head must be inerted. This both when exiting the print head and on the way to the substrate. If there is no inert atmosphere around the repelled drop, oxide formation usually occurs at the nozzle outlet and oxide inclusions in the 3D workpiece to be formed. For this purpose, the building chamber must be sealed against the ambient atmosphere (air). Depending on the size of a workpiece to be printed, the construction chamber size must be designed and filled with inert gas. The disadvantage is the high consumption of high quality inert gas to achieve the desired print quality

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckkopf bereit zu stellen, der bei gleichbleibender Druckqualität den Verbrauch des Inertgases verringert.The object of the invention is to provide a printhead which reduces the consumption of the inert gas while maintaining the print quality.

Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Druckkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1, der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Druckkopfs erfüllt.The object is achieved by the printhead according to the invention with the features of claim 1, the device according to the invention and the method according to the invention for operating the printhead.

Der erfindungsgemäße Druckkopf zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken, umfasst ein Gehäuse, eine Vorrichtung zur Zuführung eines Metalls, einen Kolben, ein Reservoir mit einer Austrittsöffnung und eine Aktorvorrichtung zur Verschiebung des Kolbens, wobei das Reservoir einen Schmelzbereich und einen Verdrängerraum für eine flüssige Phase des Metalls aufweist, wobei der Schmelzbereich an einer inerten Atmosphäre angrenzt und mit dem Verdrängerraum derart verbunden ist, dass durch die Verschiebung des Kolbens die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregbar ist, wobei die Austrittsöffnung an einem Einsatz des Druckkopfes angeordnet ist, wobei der Einsatz zumindest eine Düsenplatte mit der Austrittsöffnung, eine Führungshülse zur Führung des Kolbens und eine Düsenspannmutter zur Befestigung der Düsenplatte an der Führungshülse aufweist. Erfindungsgemäß weist der Druckkopf eine Vorrichtung zur Zuführung eines Schutzgases zur Austrittsöffnung des Druckkopfs auf. Das Schutzgas weist in vorteilhafter Weise die Eigenschaften eines Inertgases auf, bzw. ist ein Inertgas.The print head according to the invention for the additive manufacturing of three-dimensional workpieces comprises a housing, a device for feeding a metal, a piston, a reservoir with an outlet opening and an actuator device for displacing the piston, the reservoir having a melting area and a displacement space for a liquid phase of the Has metal, wherein the melting region is adjacent to an inert atmosphere and is connected to the displacement space such that the liquid phase of the metal can be excited to pass through the outlet opening by the displacement of the piston, the Outlet opening is arranged on an insert of the printhead, the insert having at least one nozzle plate with the outlet opening, a guide sleeve for guiding the piston and a nozzle clamping nut for fastening the nozzle plate to the guide sleeve. According to the invention, the print head has a device for supplying a protective gas to the outlet opening of the print head. The protective gas advantageously has the properties of an inert gas, or is an inert gas.

Dadurch kann in vorteilhafter Weise der Verbrauch des Inertgases während des Druckprozesses vermindert werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist ein effizienterer Einsatz des Inertgases möglich, da die Inertatmosphäre direkt an der Tropfenbildung erzeugt wird. Dadurch ist es auch möglich, den Rest der Baukammer mit einem Gas mit minderer Schutzgasqualität zu füllen, wodurch Kosten eingespart werden können.This can advantageously reduce the consumption of the inert gas during the printing process. The configuration according to the invention enables the inert gas to be used more efficiently, since the inert atmosphere is generated directly at the drop formation. This also makes it possible to fill the rest of the building chamber with a gas of inferior shielding gas quality, which can save costs.

Für industrielle Anwendungen ist ein akzeptabler Bauraum erforderlich. Dafür wird die Baukammer in 3 Dimensionen bewegt, beispielsweise mit Linearantrieben. Diese Schnittstellen bilden eine potenzielle Leckage. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen düsennahen Schutzgaszuführung wird in vorteilhafter Weise nur der Bereich inertisiert, welcher unmittelbar für den Druckprozess erforderlich ist. Dabei wird der fallende Tropfen mit dem Inertgas umströmt und dadurch in vorteilhafter Weise die Oxidationsbildung verhindert. Falls die düsennahe Schutzgaszuführung in einem geschlossenen Bauraum betrieben wird, kann der Druckkopf in vorteilhafter Weise mit einer niedrigeren Inertgasqualität betrieben werden. Zudem kann die Mengen des Inertgases durch den erfindungsgemäßen Druckkopf druckprozessabhängig geregelt werden, wodurch in vorteilhafter Weise Schutzgas, bzw. Inertgas eingespart werden kann.Acceptable installation space is required for industrial applications. For this, the building chamber is moved in 3 dimensions, for example with linear drives. These interfaces form a potential leak. With the aid of the shielding gas supply according to the invention, only the area which is directly required for the printing process is advantageously rendered inert. The inert gas flows around the falling drop, thereby advantageously preventing the formation of oxidation. If the protective gas supply close to the nozzle is operated in a closed installation space, the print head can advantageously be operated with a lower inert gas quality. In addition, the quantities of inert gas can be regulated by the print head according to the printing process, which advantageously means that protective gas or inert gas can be saved.

In einer Weiterbildung ist an der Düsenplatte ein Spalt zur Zuführung des Schutzgases zur Austrittsöffnung ausbildet.In a further development, a gap for supplying the protective gas to the outlet opening is formed on the nozzle plate.

In einer Weiterbildung weist die Vorrichtung zur Zuführung eines Schutzgases Kanäle zur Zuführung des Schutzgases zum Spalt auf.In one development, the device for supplying a protective gas has channels for supplying the protective gas to the gap.

In einer bevorzugten Weiterbildung sind ein erster Kanal innerhalb des Reservoirs, ein zweiter Kanal innerhalb der Führungshülse und ein dritter Kanal innerhalb der Düsenplatte angeordnet und diese sind miteinander verbunden.In a preferred development, a first channel is arranged inside the reservoir, a second channel inside the guide sleeve and a third channel inside the nozzle plate and these are connected to one another.

Der Kanal bildet eine Verbindung zur Austrittsöffnung und das Schutzgas wird dadurch von beispielsweise einer Gasflasche an die Austrittsöffnung, bzw. Düse geleitet. Die Einleitung des Schutzgases hat den Vorteil, dass das Gas um die Düsenöffnung homogen herum in der Schutzgaszuführung verteilt wird, bevor es in Richtung der Düsenbohrung strömt. Die Menge des Gases wird von außen über ein Ventil oder eine einstellbare Drossel angepasst. Dieses kann mit entsprechender Sensorik und Ansteuerung der Aktorik auch automatisch erfolgen. Um die Düsenbohrung herum entsteht somit eine Inertgasatmosphäre mit höherwertigem Schutzgas. Die Drosselstelle kann entsprechend der benötigten Menge an Gas optimiert und dadurch anschließend eine optimale Strömung eingestellt werden.The channel forms a connection to the outlet opening and the shielding gas is thereby passed from, for example, a gas bottle to the outlet opening or nozzle. The introduction of the protective gas has the advantage that the gas is distributed homogeneously around the nozzle opening in the protective gas supply before it flows in the direction of the nozzle bore. The amount of gas is adjusted from the outside via a valve or an adjustable throttle. This can also be done automatically with appropriate sensors and actuation of the actuators. An inert gas atmosphere with a higher-quality protective gas is thus created around the nozzle bore. The throttling point can be optimized according to the amount of gas required and an optimal flow can then be set.

Die Zuführung des Schutzgases über das Reservoir, bzw. den Tiegel ermöglicht eine Zuführung des Gases von außen, bzw. von außerhalb der Baukammer. Dabei ist es von Vorteil, dass eine im Tiegel, der Führungshülse und der Düsenplatte eingearbeitete Bohrung aus einem kalten Bereich des Druckkopfes mit Schutzgas versorgt wird.The supply of the protective gas via the reservoir or the crucible enables the gas to be supplied from the outside or from outside the building chamber. It is advantageous that a hole machined in the crucible, the guide sleeve and the nozzle plate is supplied with protective gas from a cold area of the print head.

Diese Lösung hat den Vorteil, dass keine Verbindung in der beheizten Baukammer vorhanden sind. Darüber hinaus wird der Tiegel induktiv über eine am Tiegel anliegenden Spule erwärmt.This solution has the advantage that there is no connection in the heated building chamber. In addition, the crucible is heated inductively by means of a coil resting on the crucible.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken, insbesondere einen 3D-Metalldrucker, umfassend einen erfindungsgemäßen Druckkopf.The invention also relates to a device for the additive manufacturing of three-dimensional workpieces, in particular a 3D metal printer, comprising a print head according to the invention.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken mit einem erfindungsgemäßen Druckkopf.The invention further relates to a method for operating a device for additive manufacturing of three-dimensional workpieces with a print head according to the invention.

Weitere Vorteile ergeben sich beispielsweise dadurch, dass die Vorrichtung zur Zuführung des Metalls in vorteilhafter Weise für eine einfache Zuführung des Werkstoffs sorgt, wodurch bedarfsgerecht Werkstoff nachgeführt werden kann und der Druckkopf dadurch beispielsweise industriell einsetzbar ist. Zudem kann beispielsweise nach Leerung des Reservoirs ein anderer geeigneter Werkstoff zugeführt werden.
Der Schmelzbereich grenzt in vorteilhafter Weise an eine inerte Atmosphäre an. Dadurch wird sichergestellt, dass der Druck auf der Schmelze nahezu konstant ist, so dass dieser keine Auswirkung auf die Druckqualität hat. Ferner sorgt die inerte Atmosphäre dafür, dass keine ungewünschte chemische Reaktion im Reservoir stattfindet. Beispielsweise kann die inerte Atmosphäre aus Stickstoff oder einem anderen Inertgas gebildet sein.
Das Reservoir weist in vorteilhafter Weise den Schmelzbereich zum Schmelzen des Metalls, wobei dieser an der inerten Atmosphäre angrenzt und zusätzlich den Verdrängerraum auf. Dadurch ist es möglich den Schmelzvorgang räumlich von dem Verdränger-, bzw. Druckvorgang zu trennen, wodurch die Reproduzierbarkeit der Tropfen, bzw. eines Bauteils verbessert wird. Dabei ist in vorteilhafter Weise die im Verdrängerraum vorhandene flüssige Phase des Metalls durch die Verschiebung des Kolbens zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregbar. Der Kolben liegt dabei vorteilhaft direkt auf der Schmelze auf, wodurch die Genauigkeit des Druckens weiter zunimmt, da die Schmelze nahezu inkompressibel ist. Die Schmelze, bzw. flüssige Phase des Metalls gelangt entweder über Schweredruck oder über eine Kombination des Schweredrucks und des Atmosphärendrucks des Inertgases vom Schmelzbereich in den Verdrängerraum. Die Austrittsöffnung entspricht einer Düse und ist je nach Aufbau des Reservoirs austauschbar.Further advantages result, for example, from the fact that the device for supplying the metal advantageously provides for simple supply of the material, as a result of which material can be tracked as required and the print head can thus be used, for example, industrially. In addition, another suitable material can be added, for example, after the reservoir has been emptied.
The melting range advantageously adjoins an inert atmosphere. This ensures that the pressure on the melt is almost constant so that it has no effect on the print quality. Furthermore, the inert atmosphere ensures that no undesired chemical reaction takes place in the reservoir. For example, the inert atmosphere can be formed from nitrogen or another inert gas.
The reservoir advantageously has the melting area for melting the metal, which adjoins the inert atmosphere and additionally the displacement space. This makes it possible to spatially separate the melting process from the displacement or printing process, which improves the reproducibility of the drops or a component. It is advantageous the liquid phase of the metal present in the displacement space can be excited by the displacement of the piston for passage through the outlet opening. The piston advantageously lies directly on the melt, which further increases the accuracy of the printing, since the melt is almost incompressible. The melt or liquid phase of the metal reaches the displacer from the melting area either through gravity pressure or through a combination of the gravity pressure and the atmospheric pressure of the inert gas. The outlet opening corresponds to a nozzle and can be replaced depending on the structure of the reservoir.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand von der Figur näher dargestellt.Further measures improving the invention are shown below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to the figure.

FigurenlisteFigure list

Es zeigen:

  • 1 Ein Beispiel eines Druckkopfes,
  • 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckkopfs.
Show it:
  • 1 An example of a printhead,
  • 2nd an embodiment of the printhead according to the invention.

AusführungsbeispielEmbodiment

1 zeigt eine Vorrichtung 100 zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken, insbesondere ein 3D-Metalldrucker und ein Beispiel eines Druckkopfs 1 für einen 3D-Drucker, insbesondere Metalldrucker.
Der Druckkopf 1 umfasst ein Gehäuse 3, eine Vorrichtung 28 zur Zuführung eines Metalls 14 in fester Phase, einen Kolben 5, ein Reservoir 7, 27 mit einer Austrittsöffnung 10 und eine Aktorvorrichtung 12 zur Verschiebung des Kolbens. Das Reservoir 7, 27 weist einen Schmelzbereich 20 und einen Verdrängerraum 21 für eine flüssige Phase 8 des Metalls 14 auf, wobei der Schmelzbereich 20 an einer inerten Atmosphäre 22 angrenzt und mit dem Verdrängerraum 21 derart verbunden ist, dass durch die Verschiebung des Kolbens 5 die flüssige Phase 8 des Metalls 14 zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung 10 anregbar ist. Die flüssige Phase 8 des Metalls 14 wird auch als Schmelze 8 bezeichnet und die inerte Atmosphäre 22 ist durch Einleitung eines Inertgases 22 in das Reservoir 7, 27 gebildet. Die Einleitung des Inertgases 22 findet bevorzugt über einen kalten Bereich des Druckkopfes 1 in das Reservoir 7, 27 statt. 1 shows a device 100 for additive manufacturing of three-dimensional workpieces, in particular a 3D metal printer and an example of a print head 1 for a 3D printer, especially a metal printer.
The printhead 1 includes a housing 3rd , a device 28 for feeding a metal 14 in the solid phase, a piston 5 , a reservoir 7 , 27th with an outlet opening 10th and an actuator device 12 to move the piston. The reservoir 7 , 27th has a melting range 20th and a displacement room 21st for a liquid phase 8th of the metal 14 on, the melting range 20th in an inert atmosphere 22 adjacent and with the displacement space 21st is connected such that by the displacement of the piston 5 the liquid phase 8th of the metal 14 for passage through the outlet opening 10th is stimulable. The liquid phase 8th of the metal 14 is also called a melt 8th referred to and the inert atmosphere 22 is by introducing an inert gas 22 into the reservoir 7 , 27th educated. The introduction of the inert gas 22 preferably takes place over a cold area of the printhead 1 into the reservoir 7 , 27th instead of.

Das Gehäuse 3 ist mehrteilig ausgebildet, wobei es zumindest einen Kühlflansch 25, eine Isolierplatte 26 und das Reservoir 7, 27 umfasst.The housing 3rd is formed in several parts, with at least one cooling flange 25th , an insulating plate 26 and the reservoir 7 , 27th includes.

Der Kolben 5 ist mehrteilig ausgebildet, wobei er zumindest eine Kolbenstange 17 aus einem metallischen Werkstoff und einen Stempel 18 aus Keramik umfasst. Die Kolbenstange 17 ragt ausgehend von der Aktorvorrichtung 12 durch den Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 bis in das Reservoir 7, 27 hinein, wo sie in den Stempel 18 übergeht.The piston 5 is formed in several parts, with at least one piston rod 17th made of a metallic material and a stamp 18th made of ceramic. The piston rod 17th protrudes from the actuator device 12 through the cooling flange 25th and the insulating plate 26 down to the reservoir 7 , 27th where it is in the stamp 18th transforms.

Der Kühlflansch 25 weist eine Ausnehmung 30 zur Aufnahme der Aktorvorrichtung 12, die als piezoelektrischer Aktor 12 ausgebildet ist, auf. Der piezoelektrische Aktor 12 ist während des Betriebs in der Ausnehmung 30 derart fixiert, dass er bei Anliegen einer Spannung einen Arbeitshub auf den Kolben 5, speziell auf die Kolbenstange 17 des Kolbens, ausübt. Die Kolbenstange 17 überträgt den Arbeitshub auf den Stempel 18, so dass dieser die flüssige Phase 8 des Metalls 14 zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung 10 anregt. Der Kolben 5 ist ohne Aktuierung des Aktors 12 durch eine Feder 13 in eine Ausgangsstellung rückstellbar, wobei die Feder 13 in der Ausnehmung 30 des Kühlflanschs 25 zwischen einem Absatz 24 und dem Aktor 12 angeordnet ist. Die Feder 13 ist als Tellerfeder ausgebildet.
Ferner weist der Kühlflansch 25 Kühlkanäle 31 zur Kühlung auf. Die Kühlkanäle 31 sind zwischen dem Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 angeordnet und werden mit einem Kühlmedium durchspült. Dies dient als Kühlung gegenüber der Erwärmung durch die Schmelze 8 und zum Kühlen des Aktors 12 im Betrieb. Der Kühlflansch 25 ist aus einem metallischen Werkstoff gebildet.
Die an dem Kühlflansch 25 auf Seiten der Kühlkanäle 31 anliegende Isolierplatte 26 ist aus einem wärmeisolierenden Material gebildet und derart ausgebildet, dass sie einen Wärmeübergang vom Reservoir 7, 27 zum Kühlflansch 25 vermindert.The cooling flange 25th has a recess 30th to accommodate the actuator device 12 acting as a piezoelectric actuator 12 is trained on. The piezoelectric actuator 12 is in the recess during operation 30th fixed in such a way that it applies a working stroke to the piston when a voltage is applied 5 , especially on the piston rod 17th of the piston. The piston rod 17th transfers the working stroke to the stamp 18th so that this is the liquid phase 8th of the metal 14 for passage through the outlet opening 10th stimulates. The piston 5 is without actuation of the actuator 12 by a spring 13 resettable to a starting position, the spring 13 in the recess 30th of the cooling flange 25th between a paragraph 24th and the actuator 12 is arranged. The feather 13 is designed as a plate spring.
Furthermore, the cooling flange 25th Cooling channels 31 for cooling on. The cooling channels 31 are between the cooling flange 25th and the insulating plate 26 arranged and are flushed with a cooling medium. This serves as cooling against heating by the melt 8th and for cooling the actuator 12 operational. The cooling flange 25th is made of a metallic material.
The on the cooling flange 25th on the side of the cooling channels 31 adjacent insulating plate 26 is formed from a heat insulating material and is designed such that it transfers heat from the reservoir 7 , 27th to the cooling flange 25th reduced.

Die Vorrichtung 28 zur Zuführung des Metalls 14 mündet in das Reservoir 7, 27 und ist in dem Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 angeordnet. Die Vorrichtung 28 ragt durch den Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 hindurch und das Metall 14, bzw. das zu druckende Material 14 ist von außen durch die Vorrichtung 28 zuführbar. Bevorzugt können vordosierte Materialstücke, bzw. Pellets verwendet werden. Am Übergang der Isolierplatte 26 zum Reservoir 7, 27 befindet sich eine Öffnung 29 durch die das Material 14 in das Reservoir 7, 27 gelangt. Die Öffnung 29 ist durch eine Vorrichtung 32 verschließbar, so dass diese bevorzugt nur bei Zuführung des Materials 14 geöffnet ist, wodurch das Entweichen von Energie, bzw. Gas aus der inerten Atmosphäre 22 verringert wird.The device 28 for feeding the metal 14 flows into the reservoir 7 , 27th and is in the cooling flange 25th and the insulating plate 26 arranged. The device 28 protrudes through the cooling flange 25th and the insulating plate 26 through and the metal 14 , or the material to be printed 14 is from the outside through the device 28 feedable. Pre-metered pieces of material or pellets can preferably be used. At the transition of the insulating plate 26 to the reservoir 7 , 27th there is an opening 29 through which the material 14 into the reservoir 7 , 27th reached. The opening 29 is through a device 32 closable, so that this is preferred only when feeding the material 14 is open, causing the escape of energy or gas from the inert atmosphere 22 is reduced.

Das Reservoir 7, 27 ist als Schmelztiegel 27 ausgebildet, wobei außerhalb des Schmelztiegels 27 ein Induktor 35 und innerhalb des Schmelztiegels ein Sensor 36, insbesondere ein Temperatursensor, angeordnet sind. Zwischen dem Schmelztiegel 27 und dem Induktor 35, bzw. der Induktor Spule 35 kann sich optional noch ein nicht dargestellter Isolator befinden.The reservoir 7 , 27th is as a melting pot 27th trained, being outside the crucible 27th an inductor 35 and a sensor inside the crucible 36 , in particular a temperature sensor, are arranged. Between the melting pot 27th and the inductor 35 , or the inductor coil 35 an isolator (not shown) can optionally be located.

Das Metall 14 gelangt in einer festen Phase 14 in den Schmelzbereich 20 des Schmelztiegels und wird durch den Induktor 35 erhitzt, bis es in eine flüssige Phase 8 übergeht. Bei Erreichen einer gewünschten Prozesstemperatur der Schmelze 8, die durch den Temperatursensor 36 ermittelt wird, kann der Druckkopf 1 den Betrieb aufnehmen. Die flüssige Phase 8, bzw. die Schmelze 8 gelangt durch Schweredruck der Schmelze 8 oder durch eine Kombination aus Schweredruck und Atmosphärendruck des Inertgases 22 am Stempel 18 vorbei in den Verdrängerraum 21. Der Stempel 18 des Kolbens 5 ist mit einer Druckseite 19 in der Schmelze 8, bzw. von Schmelze 8 umgeben und an der Verbindungsseite zur Kolbenstange 17 in der inerten Atmosphäre 22, bzw. von der inerten Atmosphäre 22 umgeben. Die Kolbenstange 17 kommt prozessbedingt nicht mit der Schmelze 8 in Berührung.
Die Keramik des Stempels 18 ist vorteilhafterweise sehr gut temperaturleitend, um die durch den Induktor 35 erzeugte Wärme gut in den Verdrängerraum 21 übertragen zu können.The metal 14 arrives in a solid phase 14 in the melting range 20th of the crucible and is by the inductor 35 heated until it turns into a liquid phase 8th transforms. When a desired process temperature of the melt is reached 8th by the temperature sensor 36 the print head can be determined 1 start operating. The liquid phase 8th , or the melt 8th passes through gravity pressure of the melt 8th or by a combination of gravity pressure and atmospheric pressure of the inert gas 22 on the stamp 18th over into the displacement room 21st . The Stamp 18th of the piston 5 is with a printed page 19th in the melt 8th , or of melt 8th surrounded and on the connecting side to the piston rod 17th in the inert atmosphere 22 , or from the inert atmosphere 22 surround. The piston rod 17th does not come with the melt due to the process 8th in touch.
The ceramic of the stamp 18th is advantageously very thermally conductive to the through the inductor 35 generated heat well in the displacement space 21st to be able to transmit.

Bei Aktuierung des piezoelektrischen Aktors 12 übt die Druckseite 19 des Stempels 18 einen Druck auf die Schmelze 8 im Verdrängerraum 21 in Richtung der Austrittsöffnung 10 aus und sorgt für einen Ausstoß eines Tropfens 15 durch die Austrittsöffnung 10 des Reservoirs 7, 27, bzw. des Verdrängerraums 21. Die Austrittsöffnung 10 ist für den Ausstoß von Tropfen 15 der flüssigen Phase 8 des Metalls 14 ausgebildet, wobei die Austrittsöffnung 10 die Form einer Düse 10 aufweist und fest mit dem Schmelztiegel 27 verbunden sein kann, oder wie in dem Ausführungsbeispiel gezeigt, einen wechselbaren Einsatz 11 aufweist, der den Einsatz von unterschiedlichen Düsengeometrien erlaubt.When actuating the piezoelectric actuator 12 practices the print side 19th of the stamp 18th a pressure on the melt 8th in the displacement room 21st towards the exit opening 10th and ensures that a drop is ejected 15 through the outlet opening 10th of the reservoir 7 , 27th , or the displacement space 21st . The exit opening 10th is for the ejection of drops 15 the liquid phase 8th of the metal 14 formed, the outlet opening 10th the shape of a nozzle 10th has and firmly with the crucible 27th can be connected, or as shown in the embodiment, an interchangeable insert 11 has, which allows the use of different nozzle geometries.

dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf (1) eine Vorrichtung (50) zur Zuführung eines Schutzgases (60) zur Austrittsöffnung (10) des Druckkopfs (1) aufweist.characterized in that the printhead ( 1 ) a device ( 50 ) to supply a protective gas ( 60 ) to the outlet opening ( 10th ) of the printhead ( 1 ) having.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckkopfs 1. Es ist im Detail gezeigt, dass der Einsatz 11 eine Düsenplatte 44 mit der Austrittsöffnung 10, eine Führungshülse 43 zur Führung des Kolbens 5 und eine Düsenspannmutter 42 zur Befestigung der Düsenplatte 44 an der Führungshülse 43 aufweist. Des Weiteren weist der Druckkopf 1 eine Vorrichtung 50 zur Zuführung eines Schutzgases 60 zur Austrittsöffnung 10 des Druckkopfs 1 auf. 2nd shows an embodiment of the printhead according to the invention 1 . It is shown in detail that use 11 a nozzle plate 44 with the outlet opening 10th , a guide sleeve 43 to guide the piston 5 and a nozzle nut 42 for fastening the nozzle plate 44 on the guide sleeve 43 having. Furthermore, the printhead 1 a device 50 to supply a protective gas 60 to the outlet opening 10th the printhead 1 on.

Ferner ist an der Düsenplatte 44 ein Spalt 51 zur Zuführung des Schutzgases 60 zur Austrittsöffnung 10 ausbildet. Und die Vorrichtung 50 weist zur Zuführung des Schutzgases 60 Kanäle 53, 54, 57 zur Zuführung des Schutzgases 60 zum Spalt 51 auf.Also on the nozzle plate 44 A gap 51 to supply the protective gas 60 to the outlet opening 10th trains. And the device 50 points to the supply of the protective gas 60 channels 53 , 54 , 57 to supply the protective gas 60 to the gap 51 on.

Ein erster Kanal 57 ist innerhalb des Reservoirs 7, 27, bzw. des Tiegels angeordnet. Dieser führt in einen zweiten Kanal 53, der innerhalb der Führungshülse 43 ausgebildet ist, bzw. verläuft und in einen dritten Kanal 54 innerhalb der Düsenplatte 44 übergeht. Der dritte Kanal 54 ist ringförmig innerhalb der Düsenplatte 44 ausgebildet und verteilt das Schutzgas 60 ringförmig in den Spalt 51, um eine gleichmäßige Zuführung des Schutzgases 60 zur Austrittsöffnung 10 zu erreichen.A first channel 57 is inside the reservoir 7 , 27th , or the crucible arranged. This leads into a second channel 53 that is inside the guide sleeve 43 is formed or runs and into a third channel 54 inside the nozzle plate 44 transforms. The third channel 54 is ring-shaped inside the nozzle plate 44 trained and distributed the protective gas 60 ring-shaped in the gap 51 to ensure an even supply of the protective gas 60 to the outlet opening 10th to reach.

Claims (6)

Druckkopf (1) zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken, umfassend ein Gehäuse (3), eine Vorrichtung (28) zur Zuführung eines Metalls (14), einen Kolben (5), ein Reservoir (7, 27) mit einer Austrittsöffnung (10) und eine Aktorvorrichtung (12) zur Verschiebung des Kolbens (5), wobei das Reservoir (7, 27) einen Schmelzbereich (20) und einen Verdrängerraum (21) für eine flüssige Phase (8) des Metalls (14) aufweist, wobei der Schmelzbereich (20) an einer inerten Atmosphäre (22) angrenzt und mit dem Verdrängerraum (21) derart verbunden ist, dass durch die Verschiebung des Kolbens (5) die flüssige Phase (8) des Metalls (14) zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung (10) anregbar ist, wobei die Austrittsöffnung (10) an einem Einsatz (11) des Druckkopfes (1) angeordnet ist, wobei der Einsatz (11) zumindest eine Düsenplatte (44) mit der Austrittsöffnung (10), eine Führungshülse (43) zur Führung des Kolbens (5) und eine Düsenspannmutter (42) zur Befestigung der Düsenplatte (44) an der Führungshülse (43) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf (1) eine Vorrichtung (50) zur Zuführung eines Schutzgases (60) zur Austrittsöffnung (10) des Druckkopfs (1) aufweist.Printhead (1) for additive manufacturing of three-dimensional workpieces, comprising a housing (3), a device (28) for feeding a metal (14), a piston (5), a reservoir (7, 27) with an outlet opening (10) and an actuator device (12) for displacing the piston (5), the reservoir (7, 27) having a melting area (20) and a displacement space (21) for a liquid phase (8) of the metal (14), the melting area (20) adjoins an inert atmosphere (22) and is connected to the displacement chamber (21) in such a way that the displacement of the piston (5) causes the liquid phase (8) of the metal (14) to pass through the outlet opening (10) The outlet opening (10) is arranged on an insert (11) of the print head (1), the insert (11) having at least one nozzle plate (44) with the outlet opening (10), a guide sleeve (43) for guiding the Piston (5) and a nozzle clamping nut (42) for fastening the nozzle plate (44) a n of the guide sleeve (43), characterized in that the print head (1) has a device (50) for supplying a protective gas (60) to the outlet opening (10) of the print head (1). Druckkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Düsenplatte (44) ein Spalt (51) zur Zuführung des Schutzgases (60) zur Austrittsöffnung (10) ausbildet ist.Printhead (1) after Claim 1 , characterized in that a gap (51) for supplying the protective gas (60) to the outlet opening (10) is formed on the nozzle plate (44). Druckkopf (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (50) zur Zuführung eines Schutzgases (60) Kanäle (53, 54, 57) zur Zuführung des Schutzgases (60) zum Spalt (51) aufweist.Printhead (1) after Claim 2 , characterized in that the device (50) for supplying a protective gas (60) has channels (53, 54, 57) for supplying the protective gas (60) to the gap (51). Druckkopf (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Kanal (57) innerhalb des Reservoirs (7, 27), ein zweiter Kanal (53) innerhalb der Führungshülse (43) und ein dritter Kanal (54) innerhalb der Düsenplatte (44) angeordnet sind und diese miteinander verbunden sind.Printhead (1) after Claim 3 , characterized in that a first channel (57) within the reservoir (7, 27), a second channel (53) within the guide sleeve (43) and a third channel (54) are arranged within the nozzle plate (44) and these together are connected. Vorrichtung (100) zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken, insbesondere ein 3D-Metalldrucker, umfassend einen Druckkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Device (100) for the additive manufacturing of three-dimensional workpieces, in particular a 3D metal printer, comprising a print head (1) according to one of the preceding claims. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (100) zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Werkstücken nach Anspruch 5.Method for operating a device (100) for the additive manufacturing of three-dimensional workpieces according to Claim 5 .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115625342A (en) * 2022-11-11 2023-01-20 江南大学 3D printing manufacturing device and method for wide continuous melt flow laying

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